Rede de Computadores 06

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Rede de Computadores
Aula 06
Visão geral das tecnologias de camadas de enlace
Nesta aula, você irá: 
1. Compreender a finalidade dos protocolos de camada de enlace e da camada física;
2. Identificar os principais tipos de protocolos de camada de enlace;
3. Comparar e confrontar os protocolos de camada de enlace;
4. Identificar os padrões da família de protocolos ethernet;
5. Comparar e confrontar os diversos padrões ethernet; 
Introdução
Na aula anterior, estudamos o funcionamento do protocolo TCP/IP. Nesta aula, iremos estudar a camada de enlace e seus serviços.  Segundo Kurose, à medida que descemos a pilha de protocolos, da camada de rede até a camada de enlace, é natural que imaginemos como os pacotes são enviados pelos enlaces individuais dentro de um caminho de comunicação fim a fim. Como os datagramas da camada de rede são encapsulados nos quadros da camada de enlace para transmissão em um único enlace? 
Portanto, nesta aula, estudaremos quais serviços e protocolos atuam na camada de enlace, bem como aprenderemos a diferenciação de cada um deles com base em suas características.
Onde A Camada De Enlace É Implementada?
A camada de enlace é implementada em um adaptador de rede, que é também conhecido como controlador de interface de rede (NIC). No núcleo do adaptador de rede, está o controlador da camada de enlace, normalmente um único chip de sistema, que implementa vários serviços da camada de enlace (enquadramento, acesso ao enlace, controle de fluxo etc). Podemos concluir que muito da funcionalidade da camada de enlace é implementada em hardware.
Endereçamento Na Camada De Enlace
Na camada de enlace, não é o nó (roteadores e computadores) que possuem um endereço de camada de enlace e sim o adaptador do nó. Segundo Kurose, um endereço da camada de enlace é também denominado um endereço de LAN, um endereço físico, ou um endereço MAC (media access control – controle de acesso ao meio)
O endereço MAC tem 6 bytes de comprimento, expressos em notação hexadecimal, onde cada byte é expresso como um par de números hexadecimais.
Você Sabia?
Uma propriedade dos endereços MAC é que não existem dois adaptadores com o mesmo endereço? 
Isto ocorre devido ao IEEE gerenciar o espaço físico de endereços MAC. Quando uma empresa quer fabricar adaptadores, compra, por uma taxa nominal¸ uma parcela do espaço de endereços  que consiste em 224 endereços. O IEEE aloca a parcela de 224 endereços fixando os primeiros 24 bits de um endereço MAC e permitindo que a empresa crie combinações exclusivas com os últimos 24 bits para cada adaptador.
Fonte:Kurose, Redes de computadores e a Internet
Serviços Fornecidos
Um protocolo da camada de enlace é usado para transportar um datagrama por um enlace individual. Ele define o formato dos pacotes trocados entre os nós nas extremidades do enlace, bem como as ações realizadas por esses nós ao enviar e receber pacotes. A unidade de dados trocada pelo protocolo de camada de enlace é denominada quadro e cada quadro encapsula um datagrama da camada de rede. Possíveis serviços que podem ser oferecidos:
Enquadramento de dados Quase todos os protocolos de camada de enlace encapsulam cada datagrama de camada de rede dentro de um quadro de camada de enlace, antes de transmiti-lo pelo enlace.
Acesso ao enlace Um protocolo de acesso ao meio (medium access control protocol – MAC) especifica as regras, segundo as quais um quadro é transmitido pelo enlace.
Entrega confiável Quando um protocolo de camada de enlace fornece serviço confiável de entrega, ele garante que vai transportar cada datagrama da camada de rede pelo enlace sem erro.
Controle de fluxo Semelhante a camada de transporte, um protocolo de camada de enlace pode fornecer controle de fluxo, para evitar que o nó remetente de um lado de um enlace congestione o nó receptor do outro lado do enlace.
Detecção de erros Mecanismo para detectar a presença de erros de bits, que podem ser originados pela  *atenuação do sinal ou *ruído eletromagnético.  Esse mecanismo é implementado através do envio de bits de detecção de erros no quadro e a realização de uma verificação  de erros no receptor. Normalmente é implementada em hardware.
*atenuação do sinal: 
*ruído: 
Correção de erros Semelhante à detecção de erros, porém, além de detectar erros no quadro também determina exatamente em que lugar do quadro os erros ocorreram corrigindo-os. Alguns protocolos fornecem a correção de erros apenas para o cabeçalho do pacote e não para o pacote inteiro.
Half-duplex e full duplex Na transmissão full-duples, os nós e mambas as extremidades de um enlace podem transmitir pacotes ao mesmo tempo. Com a transmissão half-duplex um nó não pode transmitir e receber pacotes ao mesmo tempo.
Para saber mais sobre interferência eletromagnética leia o documento 06-01.
Protocolos Da Camada De Enlace
Para uma compreensão mais abrangente dos protocolos da camada de enlace, os seguintes conceitos serão discutidos:
Pacotes unicast Apesar do termo ser menos conhecido, é o tipo mais comum.  É o método de comunicação ponto a ponto, ou seja, uma origem para um destino.  A transmissão unicast ocorre quando A envia a informação apenas para B. Neste tipo de comunicação, apenas B recebe a informação.
Por exemplo: Quando você acessa uma página web, recebe um e-mail ou baixa um arquivo, a comunicação entre o seu PC e o servidor em questão está utilizando pacotes unicast.
Multicast Método de comunicação que suporta difusão para um conjunto definido de hosts. Muito semelhando ao conceito de broadcasting, porém mais eficiente, pois permite que um único pacote seja recebido por um grupo específico de estações sem atrapalhar os demais.
Broadcast Método de comunicação que suporta difusão para um conjunto de hosts. Este termo foi originalmente aplicado a transmissões de rádio e televisão, pois, as transmissões estão disponíveis a um público grande. 
Como funciona? 
Quando um aplicativo faz broadcast  de dados, ele torna uma cópia dos dados disponível a todos os outros computadores da rede; ou quando um switch recebe um pacote com destino para esse endereço, ele envia esse pacote para todas as portas desse segmento.
 É recomendável que o uso do broadcast seja limitado, para evitar congestionar a rede com tráfego inútil.
Domínio de colisão e domínio de broadcast Domínio de Colisão: Este termo refere-se a um único sistema Ethernet full duplex, cujos elementos (cabos, repetidores, interfaces de estação e outras partes do hardware) fazem parte do mesmo domínio de temporização de sinal. Em um domínio de colisão único, se dois ou mais dispositivos transmitem ao mesmo tempo, ocorre uma colisão. Um domínio de colisão pode compreender vários segmentos, desde que sejam vinculados com repetidores.
As pontes e switches segmentam os domínios de colisão em partes menores, melhorando o desempenho da rede.
Segmentação de rede Segundo Comer, uma limitação de distância em LANs surge porque o sinal elétrico se torna mais fraco ao viajar ao longo de um fio.  Para superar tal limitação,  algumas tecnologias de LAN permitem que dois cabos sejam juntados através de um dispositivos conhecido como repetidor. 
Dispositivo analógico que continuamente monitora sinais elétricos em cada cabo. Quando ele percebe um sinal em um cabo, o repetidor transmite uma cópia ampliada no outro cabo.
(fonte: Redes de computadores e Internet, Comer)
Quando ele percebe um sinal em um cabo, o repetidor transmite uma cópia ampliada no outro cabo. No desenho acima, um repetidor conecta dois cabos de Ethernet conhecidos como segmento. Os repetidores não entendem o formato de quadro, nem possuem endereços físicos, apenas enviam cópais de sinais elétricos de um segmento para outro sem esperar por um quadro completo.
Você sabia?
Além de propagar cópias de transmissão válidas, de um segmento para outro, um repetidor propaga uma cópia de outros sinais elétricos. Caso ocorra uma colisão ou uma interferência elétrica em um segmento, os repetidores fazem com que o problema seja propagado emtodos os outros segmentos.
Diferentemente dos repetidores, e conforme já estudado na aula3,  uma bridge manipula quadros completos.  Ela “escuta” o tráfego em cada segmento, usando o modo promíscuo. Quando recebe um quadro de um segmento, verifica se o quadro chegou intacto e então encaminha uma cópia do quadro para o outro segmento, se necessário. Com a utilização de uma bridge dois segmentos de LAN se comportam como se fosse uma LAN única. 
  Tipo de configuração de recepção na qual todos os pacotes que trafegam pelo segmento de rede ao qual o receptor está conectado são recebidos pelo mesmo, não recebendo apenas os pacotes endereçados ao próprio. (fonte: Wikipedia)
No exemplo acima, seis computadores estão conectados a um par de segmentos de LAN unidos por uma bridge. As bridges se tornaram mais populares que os repetidores, porque ajudam a isolar problemas. Como já falamos anteriormente, se dois segmentos são conectados por um repertidor e ocorrer um problema de interferência elétrica em um deles, o repetidor propagará a interferência para o outro segmento, diferentemente das bridges que, ao  receber um quadro incorretamente formado, descarta-o, evitando, deste modo, que eventuais problemas em um segmento afete o outro segmento.
Endereçamento Na Camada De Enlace
É um agrupamento de vários domínios de colisão. Os dispositivos da camada 02 (enlace) encaminham para todas as interfaces um pacote de broadcast. Desta forma ,vários segmentos interligados através de dispositivos da camada de enlace fazem parte do mesmo domínio de broadcast. Para segmentar um domínio de broadcast, é necessário um dispositivo da camada 03 (rede), ou seja, um roteador.
No desenho abaixo, temos uma rede interligada com 7 switches e 1 roteador. Pelo que acabamos de estudar, em domínio de colisão e domínio de broadcast, diga quantos domínios de colisão e quantos domínios de broadcast existem neste exemplo?
Resposta: Existem 7 domínios de colisão e 2 domínios de broadcast.
Como os protocolos da camada de enlace têm uma atuação muito ampla, muitas vezes encontra-se o termo “tecnologia“ para se referenciar a tais protocolos.  Existe uma gama relativamente grande de tecnologias (protocolos) e,  nesta aula,as seguintes tecnologias serão abordadas:
Token Ring Também conhecido como o padrão IEE802.5. Segundo Kurose, em uma rede local com tecnologia token ring, os N nós da LAN estão conectados em um anel por enlaces diretos. A topologia do anel define a ordem de passagem de permissão. Este tipo de rede utilizam um quadro ou “token” (um pequeno pacote com informações específicas) para identificar um determinado computador que temporariamente estará controlando o meio de transmissão, podendo, neste momento transmitir seus dados, enquanto os demais computadores aguardam a liberação do “token”. Quando um nó obtém a permissão e envia um quadro ou “token”, este se propaga ao redor do anel inteiro, criando desta maneira, um canal virtual de transmissão broadcast.
À medida que o quadro se propaga, o nó destino lê esse quadro no meio da transmissão da camada de enlace. O nó que envia o quadro tem a responsabilidade de remover o quadro ou “token” do anel.
Token Bus Em uma rede local, que utiliza o padrão token bus ou IEEE 802.4, o token bus é um cabo em forma de árvore ou linear, no qual todas as estações estão fisicamente conectadas. Logicamente as estações são organizadas em anel, com cada estação conehecendo o endereço da estação da esquerda e da direita. Quando o anel lógico é inicializado, a estação de maior número pode transmitir o primeiro quadro. Depois disso, ela passa a permissão para o seu vizinho imediato, enviando a ele um quadro de controle especial chamado token. O token se propaga em torno do anel lógico e apenas o protador do token tem a permissão para transmitir quadros. [Vom[????? apenas uma estação por vez detém o token, não há colisões.
Você sabia? O padrão ANSI/IEEE 802.4 é o padrão para redes em barra, com sinalização em banda larga, utilizando a passagem de permissão como método de acesso. Quatro tipos de meios em barra foram especificados para este padrão e diferem, particularmente, pelas formas de sinalização para cada entidade do nível físico.
DQDB Uma rede DQDB (Barramento Duplo de Fila Distribuída) é uma rede multiacesso distribuída que suporta comunicações bidirecionais, usando um barramento duplo e enfileiramento distribuído. Provê acesso para redes locais ou metropolitanas. Consiste em duas barras unidirecionais, interconectando , ponto a ponto, vários nós. As barras, denominadas A e B, conforme a figura abaixo, suportam a comunicação em direções opostas, oferecendo um caminho full-duplex entre qualquer par de estações. Para transmissão, a barra DQDB é segmentada no tempo, em slots de tamanhos fixos. Cada transmissão deve deve ser feita dentro de um slot.
Atenção: Padrão IEEE 802.6 foi criado devido à necessidade da definição de um padrão para transporte de dados a alta velocidade dentro de uma região metropolitana (MAN) com o objetivo de prover serviços integrados, tais como: texto, voz e vídeo, em uma grande área geográfica.
100VGAnyLan Também conhecida como IEEE 802.12. Neste tipo de tecnologia, cada estação é conectada a um hub por uma ligação ponto a ponto, segundo a topologia estrela.  Neste caso, o hub não é um simples centro de fiação com repetidores, mas um dispositivo capaz de executar comutação rápida de circuito.  O hub é um controlador central inteligente que gerencia o acesso a rede, através de uma rápida varredura "round robin" de suas requisição de portas de rede, checando requisições de serviços de seus nós. O hub recebe um pacote de dados e o direciona somente para a porta correspondente ao nó destinatário, provendo assim a segurança dos dados.   
Cada hub pode ser configurado para operar no modo normal ou no modo monitor. Portas configuradas para operar no modo normal recebem apenas os pacotes endereçados ao nó correspondente. Portas configuradas para operar no modo monitor recebem todos os pacotes enviados ao hub.  
Um nó pode ser um computador, estação, ou outro dispositivo de rede 100VG-AnyLAN tais como bridges, roteadores, switch, ou hub. Hosts conectados como nós são referenciados como de nível mais baixo, como nível 2 ou nível 3.  
FDDI A tecnologia FDDI (Interface de Dados Distribuído por Fibra) utiliza o conceito de rede token-ring baseado em fibra óptica. Consistem de uma rede em duplo anel, usando fibra óptica como meio físico de transmissão de dados a uma taxa de  100 Mbps. Segundo Kurose, a rede FDDI  foi projetada para LANs de alcance geográfico maior incluindo as redes de área metropolitana (MAN). Para LANs de grande alcance geográfico (que se espalham por muitos quilômetros), é ineficiente permitir que um quadro se propague de volta ao nó remetente, tão logo tenha passado do nó destino. A rede FDDI faz com que o nó destino remova o quadro do círculo.
ATM O ATM (Mode de Transferência Assíncrono) é uma tecnologia baseada na transmissão de pequenas unidades de informação de tamanho fixo e formato padronizado, denominadas “células”. As células são transmitidas através de conexões com circuitos virtuais, sendo seu encaminhamento baseado em informação de um cabeçalho, contido em cada uma delas. É capaz de suportar diferentes serviços, para satisfazer aos requisitos exigidos pelos diferentes tipos de tráfego em as altas velocidades de transmissão como, por exemplo: voz, vídeo e dados.
Família Ethernet Devido à importância desta tecnologia nas redes atuais (a maioria das redes de computadores locais usam esse padrão), ela se tornou uma tecnologia “de facto”.
 
Desde a sua criação, vários padrões ethernet foram sendo desenvolvidos de forma a acompanhar as necessidades do mercado de transmissão de dados cada vez maiores. Hoje, é uma prática comum assistir a um vídeo em seu computador e essa prática só é possível graças a, entre outras coisas, evolução deste padrão de camada de enlace:
Ethernet
Definido pelo padrão IEEE 802.3 e, originalmente, com capacidadede 10Mbps; e podendo  utilizar diversos tipos de cabeamento. É uma tecnologia de rede extensamente utilizada que emprega topologia de barramento. O padrão Ethernet especifica todos os detalhes, inclusive o formato dos quadros que os computadores enviam através do barramento, a voltagem a ser utilizada e o método usado para modular o sinal. Uma rede local (LAN) Ethernet é composta de hardware e software ,trabalhando juntos, para oferecer dados digitais entre computadores. Para conseguir essa tarefa, quatro elementos básicos são combinados para a criação de um sistema Ethernet:
- O quadro (frame), que é um conjunto padronizado de bits usados para transportar dados pelo sistema;
- O protocolo Media Access Control, que consiste em um conjunto de regras embutidas em cada interface Ethernet para permitir que vários computadores acessem o canal Ethernet, compartilhado de um modo ordenado;
- Os componentes de sinalização, que consistem em dispositivos eletrônicos padronizados, que enviam e recebem sinais por um canal Ethernet;
- O Meio físico, que consiste nos cabos e outro hardware usado para transportar os sinais ethernet digitais entre os computadores ligados à rede.
Como Uma Rede Ethernet Funciona?
A rede Ethernet utiliza uma topologia de barramento, onde múltiplos computadores devem compartilhar o acesso a um único meio. Um remetente transmite um sinal, que se propaga do remetente em direção às duas extremidades do cabo. Neste momento, o computador remetente tem uso exclusivo do cabo inteiro, durante a transmissão de um dado quadro, e os outros computadores devem esperar.  
Para saber mais sobre como funciona a Ethernet leia o documento 06-02 em pdf.
A Evolução Do Ethernet
Fast-Ethernet
Evolução do padrão Ethernet, porém com capacidade de 100 Mbps. O sistema de Fast-Ethernet é baseado em sistemas de mídia de par trançado e fibra ótica e oferece canais de rede de alta velocidade para uso em sistemas de backbone.
Gigabit-Ethernet
Evolução do padrão Fast-Ethernet para capacidade de 1000 Mbps. Descreve um sistema que opera a uma velocidade de 1 bilhão de bits por segundo, em mídia de fibra ótica e par trançado.  Emprega o mesmo protocolo CSMA/CD, empregado nas suas predecessoras Ethernet e, além disso, o formato e tamanho do frame também são o mesmo.
10 Gigabit Ethernet e 100 Gigabit Ethernet
Evolução do padrão Gigabit, suportando capacidade de transmissão de 10 e 100 Gbps, respectivamente. O padrão 10 Gigabit Ethernet segue na sua essência o padrão gigabit ethernet, porém, seu modo de transmissão é, única e exclusivamente, full-duplex e o meio físico é a fibra ótica – mutimodo ou monomodo. Em virtude do aumento da distância abrangida pela fibra ótica (40 km), o 10 gigabit ethernet é utilizado em rede metropolitana.
Para saber mais sobre a evolução da Ethernet leia o documento 06-03
Para saber mais sobre os tópicos estudados nesta aula, pesquise na internet sites, vídeos e artigos relacionados ao conteúdo visto. Se ainda tiver alguma dúvida, fale com seu professor online utilizando os recursos disponíveis no ambiente de aprendizagem. 
Para saber mais sobre o padrão IEEE consulte o site: http://www.ieee802.org/, onde você poderá fazer download dos padrões estudados. 
Nesta aula, você: 
 Compreendeu a finalidade dos protocolos de camada de enlace e da camada física; 
 Identificou os principais tipos de protocolos de camada de enlace; 
 Comparou e confrontou os protocolos de camada de enlace; 
 Identificou os padrões da família de protocolos ethernet.
Na próxima aula:
Tema: Endereçamento IP     
 Assunto 1: O endereçamento IP. 
 Assunto 2: Conceito de rede e sub-rede.
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