Aula 4 Comutação na camada de enlace e

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Redes locais e comutação
Aula 4 - Comutação na camada de enlace e
componentes do switch
INTRODUÇÃO
Nesta aula, você estudará a camada de enlace e os serviços por ela oferecidos, a arquitetura ethernet e seu método de
acesso ao meio. Além disso, verá a diferença entre domínio de colisão e de broadcast, as características dos
equipamentos de camadas 1, 2 e 3.
Aqui, você analisará também a comutação dos switches e pontes em relação ao tipo de transmissão unicast, multicast
ou broadcast, as características dos swtiches e a comparação entre cascateamento e empilhamento. Fará uma análise
mais detalhada das comunicações unicast, multicast e broadcast.
Estudará, ainda, as con�gurações direcionais, half e full duplex e a interligação de equipamentos através cabos
especí�cos crossover ou straight-through, além da auto-MDIX. Analisará também, com mais profundidade, os métodos
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de encaminhamento do switch store and forward, cut through e fragmente free, além de comutação simétrica e
assimétrica quanto à largura de banda, que leva à necessidade de utilização de buffers que são basicamente de dois
tipos (port-based memory e shared memory).
Finalmente, analisará as comutações de camadas 2 e 3 e verá uma breve comparação entre roteadores e switches L3.
OBJETIVOS
Analisar os requisitos de comutação relacionados à camada de enlace;
Identi�car os tipos de comutação;
Descrever o funcionamento de um switch.
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CAMADA DE ENLACE
Inicialmente vamos nos reposicionar no modelo em camadas OSI, já que o TCP/IP não estuda detalhadamente a parte
da rede de acesso que engloba as camadas 1 e 2 do modelo OSI.
A camada de enlace tem um objetivo único de encapsular sua informação (que, no caso de nossa �gura, é o datagrama
IP) para deslocar a mesma até o nó adjacente, que é o destino de sua unidade de dados (frame ou quadro).
O protocolo de camada de enlace de�ne o enquadramento dos bits no formato do frame ethernet II ou IEEE802.3, no
caso do ethernet, bem como método de acesso ao meio a ser utilizado (CSMA/CD).
O datagrama IP é endereçado de sua origem ao seu destino, exemplo 200.1.1.1 para 200.15.15.100, não importando
quantos enlaces o datagrama irá percorrer até seu destino �nal.
Um exemplo de caminho (glossário):
ARQUITETURA ETHERNET
Fonte da Imagem: Maxx-Studio / Shutterstock
A arquitetura ethernet iniciou seu desenvolvimento na década de 1970, momento em que alguns apostavam em seu
sucesso e outros a de�niam como uma rede caótica por causa das colisões.
Sua evolução e domínio de mercado de redes locais (LAN) se deve à familiaridade por parte dos administradores de
rede, simplicidade e principalmente economia.
A ethernet utiliza transmissão em banda-base, onde seu adaptador envia o sinal digital diretamente no canal utilizando
toda a sua largura de banda, sem deslocar o sinal para outra banda de frequência.
Várias tecnologias oriundas do ethernet utilizam a codi�cação Manchester, para aumentar o sincronismo, já que o
receptor e o transmissor não possuem um perfeito sincronismo, por não existir um clock externo, comum a ambos.
A ethernet presta o serviço não orientado à conexão e sem con�rmação.
Seu protocolo ou método de acesso ao meio é o CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection),
conforme mostra o diagrama a seguir:
Como funciona o protocolo CSMA/CD dentro de um adaptador especí�co?
1. O adaptador obtém uma informação (datagrama IP) de sua camada de rede, encapsula o datagrama adicionando
um head e um tail e o coloca no buffer do adaptador;
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2. Se o adaptador percebe canal sem transmissão (carrier sense), espera um IFG (Inter Frame Gap) 9, 6µs e inicia a
transmissão do quadro;
3. Se percebe que está ocupado, espera um IFG e volta a perceber o canal (escutar o canal);
4. Enquanto transmite, o adaptador monitora a presença de colisão (destruição da transmissão no coaxial) ou presença
de transmissão de outros nós da rede.
Veja (glossário):
INDICAÇÃO DE LINK
Para saber mais sobre a e�ciência da Ethernet, clique aqui (glossário) para baixar o PDF.
CARACTERÍSTICAS DOS EQUIPAMENTOS
HUBs são equipamentos de camada 1, regeneram o sinal(bit) e o repetem em todas as portas, exceto pela porta a qual o recebeu
(�ooding). Une domínios de colisão e não possui conceito de endereço, o bit não é endereçável.
Pontes ou Bridges são equipamentos de camada 2, recebem o frame ou quadro, registram o endereço de origem (SA) e a
informação da respectiva interface, pela qual recebeu o frame na tabela de endereços MAC (CAM), segmentam a rede não
deixando passar colisões separando domínios de colisão.
Possui o conceito de endereço físico, realiza o encaminhamento frames com endereço unicast somente para a porta de destino
especí�ca onde a estação se encontra, desde que esse destino esteja armazenado em sua tabela de endereços MAC e o
endereço de broadcast para todas as portas, exceto a porta pela qual recebeu (�ooding).
Switches são equipamentos também de camada 2, realizando as mesmas tarefas das pontes ou bridges. A diferença é que a
switch teve em seu desenvolvimento o objetivo de diminuir a latência dos equipamentos de camada 2, que armazenam todo o
frame ou quadro antes de encaminhá-lo (comutação por software — store and forward).
Os switches trabalham com comutação por hardware realizando mircosegmentações em seu backplane em geral.
A tecnologia ASICs, as comutações por hardware cut-through e fragment free serão detalhados mais adiante nesta aula.
Roteadores são equipamentos de camada 3, que encaminham datagramas e não frames ou quadros e funcionam como hosts
TCP/IP. Assim, ao receberem frames ou quadros, descartam os que não forem a ele destinados (unicast) ou a um dos grupos ao
qual pertença (multicast), ou broadcast, que é para todos e processam o mesmo entregando a informação do frame ou quadro à
camada 3.
Os roteadores trabalham com armazenamento e encaminhamento do datagrama, toma a decisão de roteamento com base na
tabela de rotas IP (IP route). Como o roteador processa o frame e realiza o encaminhamento da unidade de dados da camada de
redes, ele realiza uma segmentação de domínios de broadcast e colisão.
O roteador separa os domínios de broadcast que tecnicamente é a rede local, logo o roteador separa redes.
ENDEREÇAMENTO NA CAMADA DE ENLACE
Inicialmente devemos lembrar que:
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Deve ser observado que o endereço físico não é da estação de rede e sim do adaptador de rede.
Logo, se uma placa possuir 2 adaptadores, estará com 2 endereços físicos ou endereços MAC.
A maioria das LANs possuem endereços de 6 bytes, expressos em notação hexadecimal, cada byte ou dois dígitos
hexadecimais separados por “:”.
Esse endereço MAC vem gravado de fábrica na ROM ou EPROM do adaptador (NIC).
Esses endereços precisam ser únicos.
COMO ESSES ENDEREÇOS SÃO CONTROLADOS?
Os 3 primeiros bytes são controlados pelo IEEE (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos), em que cada
fabricante recebe o seu OUI (Organizationally Unique Identi�er);
Os 3 últimos bytes são controlados pelo próprio fabricante, em que serializam as diversas interfaces fabricadas.
Apesar do endereço físico (end MAC) ser composto por duas informações (os 3 primeiros bytes OUI e os 3 últimos S/N
(número de série) da interface pelo fabricante), o mesmo não possui qualquer tipo de hierarquia.
É, assim, um endereçolinear composto, não fornecendo ideia de grupo, pois pode-se criar redes com placas de
fabricantes diferentes.
Observação:
Nas LANs, para os dados se deslocarem de uma estação para outra, é necessário, em ambientes de múltiplo acesso,
que a origem saiba o endereço físico do destino.
Nas redes passam bits, os bits formam os frames ou quadros e os mesmos são endereçados com endereço físico ou
MAC.
COMUTAÇÃO
Os comutadores de camada de enlace tem como função receber frames ou quadros de camada de enlace e
encaminhá-los para enlaces de saída.
COMUNICAÇÃO EM UMA REDE ETHERNET
A comunicação em uma rede local comutada ocorre de três formas:
Alguns autores utilizam a terminologia endereço unicast, endereço de multicast e endereço de broadcast.
Apesar de ser a forma de transmitir, no caso da rede ethernet, o endereço é o que vai de�nir a reação de determinada
transmissão.
Exemplos (glossário):
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Lembrete:
A MAC Address Table (CAM) é atualizada baseada no endereço de origem e como, normalmente, uma estação não
possui o endereço do grupo, não enviará o frame tendo como origem o endereço de multicast. Logo, na tabela, não
constará esses destinos e o camada 2 realizará um �ooding.
INDICAÇÃO DE LINK
Para conhecer outras de�nições clássicas e saber mais sobre Comunicação em uma rede Ethernet, clique aqui
(glossário) para baixar o PDF.
Questão 1
Um switch, equipamento camada 2, possibilita transmissão unicast, multicast ou broadcast.
Observando sua MAC Address Table e topologia, analise a �gura abaixo:
Um datagrama IP destinado ao host 10.1.1.4 será encapsulado em um frame ethernet, sabendo-se ainda que a tabela
ARP (glossário) do host de origem possui todos os mapeamentos de endereço lógico para endereço físico.
Para qual porta, ou portas, o switch realizará a comutação desse frame em unicast?
a) Realizará um �ooding.
b) Realizará a comutação para a interface de saída Fa0/4.
c) Realizará o descarte do frame.
d) Realizará a comutação para as interfaces Fa0/2 e Fa0/3.
e) Realizará a comutação para a interface Fa0/1.
Justi�cativa
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Questão 2
Os equipamentos de camada 2 originalmente foram construídos para segmentar a rede, dividindo em domínios de
colisão.
A grande melhora foi gerenciar o tráfego criando uma tabela que armazena o segmento em que se encontra cada nó da
rede, evitando repassar frames para todos os segmentos.
O grande problema é que o equipamento de camada 2 possui uma latência maior do que a do equipamento camada 1
(HUB).
Qual tipo de comutação de switch ethernet preza pela diminuição da latência, porém com a capacidade de tratar
alguns erros como runt frame?
a) Cut through – fast forward
b) Fragmente free – sem fragmentos
c) Store and forward – armazenar e encaminhar
d) Simetric - simétrica
e) Assymetric - assimétrica
Justi�cativa
Questão 3
Apesar da semelhança de função entre os roteadores e switches L3, o switch L3 não consegue substituir totalmente os
roteadores.
Qual das características abaixo NÃO é suportada pelos roteadores?
a) Gerência de tráfego
b) Interfaces WIC (WAN Interface Card)
c) Roteamento camada 3
d) Roteamento velocidade do cabo (wirespeed)
e) Protocolos de roteamento avançado
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Justi�cativa
ATIVIDADE PROPOSTA
Realize um estudo para relacionar a melhor opção de comutação de switch ethernet (store and forward, cut through ou
fragment free) utilizando full duplex e justi�que detalhadamente sua escolha.
Glossário
UM EXEMPLO DE CAMINHO
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Host inicial (nó inicial) até o default gateway;
Default gateway até o próximo roteador (intermediário 1);
Do roteador (intermediário 1) até o roteador (intermediário 2);
Do roteador (intermediário 2) até o roteador default gateway do nó destino;
Default gateway do nó destino até o nó de destino.
O datagrama de origem é praticamente o datagrama recebido no destino, sofrendo decrementação do campo TTL e talvez uma
fragmentação do datagrama IP no enlace X25.
Como os serviços fornecidos pelos protocolos de enlace podem ser diferentes, a camada de rede necessita ser capaz de utilizar
os diversos enlaces sem deixar de cumprir sua tarefa: levar o datagrama IP através das diversas redes interligadas (internetwork).
EXEMPLOS:
1. Quando um comutador camada 2 recebe um frame destinado ao endereço FF: FF: FF: FF: FF: FF, a reação será enviar para todas
as portas, exceto a porta pela qual recebeu esse frame (�ooding).
2. Outro exemplo seria transmissão multicast RIP versão 2, que utiliza o endereço IP 224.0.0.9 e o endereço MAC
01:00:5E:00:00:09.
Uma regra para os endereços de multicast IPv4 é que utilizam endereço MAC de 01:00:5E:00:00:00 até 01:00:5E:07:FF:FF,
observando que sempre inicia por 01:00:5E nos 24 primeiros bits e seu 25º bit “setado” em zero.
ARP
Address Resolution Protocol, protocolo que realiza o mapeamento do endereço lógico (IP) para o endereço físico (MAC) em
ambientes de múltiplo acesso.