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A arquitetura IEEE 802 define um conjunto de normas e tecnologias para redes no escopo das camadas física (PHY) e de enlace. A camada de enlace é dividida em duas subcamadas:
- LLC (Logical Link Control): o equivalente a um protocolo de enlace de fato, porém na prática de uso restrito (pouco utilizada).
- MAC (Medium Access Control): um protocolo de acesso ao meio de transmissão, que depende do tipo de meio físico e tecnologia de comunicação. Esse tipo de protocolo é necessário quando o meio de transmissão é compartilhado.
Alguns padrões conhecidos (lista completa):
- IEEE 802.3 e variações: conhecidos como LAN Ethernet
- IEEE 802.1: tecnologias para interligação de LANs
- IEEE 802.11 e variações: conhecidos como WLAN (redes locais sem-fio), o que inclui WiFi
- IEEE 802.15: padrões para WPAN (redes pessoais sem-fio), incluindo Bluetooth
Protocolo de acesso ao meio (MAC)
O protocolo de acesso ao meio (MAC) é parte da camada de enlace na arquitetura IEEE 802, e tem papel fundamental na comunicação entre estações. O MAC é responsável por:
- Definir um formato de quadro onde deve ser encapsulada uma PDU de um protocolo de camada superior. Por exemplo, o quadro Ethernet (padrão IEEE 802.3) tem este formato:
- Endereçar as estações, já que o meio de transmissão é multiponto (ver campos Endereço Destino (destination address) e Endereço de origem (source address) no quadro Ethernet). Endereços têm 6 bytes, em que informam o fabricante (OUI) e o número do adaptador de rede, conforme mostrado a seguir:
Formato do endereço MAC (criado por: Inductiveload, modificado/corrigido por: Kju Link do original)
- Acessar o meio para efetuar a transmissão de quadros, resolvendo conflitos de acesso quando necessário. Um conflito de acesso (chamado de colisão) pode ocorrer em alguns casos quando mais de uma estação tenta transmitir ao mesmo tempo. Isso é fundamental em redes sem-fio, tais como Wifi (IEEE 802.11) e Bluetooth (IEEE 802.15.3), porém não é mais necessário nas LAN ethernet atuais (IEEE 802.3), que operam em modo full-duplex.
Padrão IEEE 802.3 (Ethernet)
- Ver seção 5.4 do livro Redes de Computadores e a Internet, 6a edição, de James Kurose e Keith Ross.
Desenho usado por Bob Metcalfe, um dos criadores da Ethernet, para apresentação em uma conferência em 1976.
Redes locais Ethernet (padrão IEEE 802.3 e extensões) são compostas de equipamentos que se comunicam, denominados estações (STA na padrão IEEE 802.3), de equipamentos que os interligam (hubs e switches), e do meio de transmissão. A figura abaixo ilustra uma rede local hipotética com seus vários componentes.
De forma geral, uma estação possui um ou mais adaptadores de rede (placas de rede, ou NIC – Network Interface Card), como na figura abaixo à esquerda. Atualmente, adaptadores de rede das estações são conectados a um switch por meio de cabos de rede TP (par trançado) com conectores RJ-45, mostrado na figura abaixo à direita. Outros tipos de cabos são possíveis, tais como cabos coaxiais (em desuso, além de prescindir de switches) e fibra ótica.
Em resumo, são estes os elementos de uma rede Ethernet:
- Estações: equipamentos que se comunicam pela rede. Ex: computadores e roteadores.
- Interface de rede (NIC): dispositivo embutido em cada estação com a finalidade de prover o acesso à rede. Implementa as camadas PHY e MAC.
- Meio de transmissão: representado pelos cabos por onde os quadros ethernet são transmitidos. Esses cabos são conectados às interfaces de rede das estações.
- Switch: equipamento de interconexão usado para interligar as estações. Cada estação é conectada a um switch por meio de um cabo. Um switch usualmente possui múltiplas interfaces de rede (12, 24 ou mais). Uma rede com switches apresenta uma topologia física em estrela, árvore ou mesmo em anel !
Originalmente LANs Ethernet foram construídas usando um cabo único para interligar as estações (cabo coaxial). Posteriormente surgiram as redes baseadas em hubs, equipamentos que interligavam as estações em nível da camada física (funcionavam como repetidores). Atualmente essas redes são construídas usando switches, equipamentos que interligam as estacões em nível da camada de enlace (na verdade, da subcamada MAC). Um switch apresenta como benefícios, se comparado com hubs:
- atuação em nível de MAC: o switch faz o acesso ao meio com CSMA/CD ao encaminhar um quadro, quebrando o domínio de colisão; além disto, um switch pode operar em modo full-duplex, quando então inexiste a possibilidade de colisão.
- preservação da capacidade do canal: para quadros unicast, o switch encaminha um quadro somente pela porta onde reside o destinatário.
- interligação de segmentos com diferentes taxas e modos de transmissão: um switch é capaz de receber um quadro por uma porta com uma certa taxa de transmissão (ex: 100 Mbps) e transmitir por outra com taxa diferente (ex: 1 Gbps).
- realizar funções avançadas de interligação de segmentos: um switch pode realizar diversas funções de rede, tais como virtualização (VLAN), tratamento de caminhos fechados (loops), agregação de enlaces, controle de acesso, entre outras.
Essas características importantes devem fazer com que uma LAN com switches tenha um desempenho superior a uma LAN com hubs. Por desempenho entenda-se um número menor de colisões sob tráfego intenso (ou mesmo ausência total de colisões), e maior capacidade de canal vista por cada equipamento conectado ao switch.
O padrão sofreu um grande número de atualizações e extensões desde sua concepção nos anos 1980. Por exemplo, em sua primeira versão uma rede ethernet apresentava taxa de transmissão de 10 Mbps em half-duplex, porém atualmente essas redes operem em 1 Gbps em modo full-duplex. Na realidade, já existem versões em uso com taxas de 10 Gbps, e outras mais recentes com taxas de até 100 Gbps (ver página 46 da revista RTI online). Uma tabela dessas extensões ao padrão podem ser vistas na Wikipedia.
Além de taxas maiores de transmissão, a operação em modo full-duplex predominante nas versões recentes do padrão prescindem do controle de acesso ao meio feito pelo protocolo MAC. Quando em modo half-duplex, o controle de acesso ao meio do tipo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect - Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora/Detecção de Colisões) ainda é necessário.
Quando em modo half-duplex, usa-se o acesso ao meio do tipo CSMA/CD, que é probabilístico: uma estação verifica se o meio está está livre antes de iniciar uma transmissão, mas isso não impede que ocorra uma colisão (apenas reduz sua chance). Se acontecer uma colisão, cada estação envolvida usa esperas de duração aleatória para desempate, chamadas de backoff. A ideia é que as estações sorteiem valores de espera diferentes, e assim a que tiver escolhido um valor menor consiga transmitir seu quadro. Veja o fluxograma acima para entender como isso é feito.
Fluxograma para o acesso ao meio com CSMA/CD do padrão IEEE 802.3.
As colisões e esperas (backoffs) impedem que esse protocolo de acesso ao meio aproveite totalmente a capacidade do meio de transmissão. Nas gerações atuais do padrão IEEE 802.3 (Gigabit Ethernet e posteriores) o CSMA/CD não é mais utilizado. Nessas atualizações do padrão, o modo de comunicação é full-duplex (nas versões anteriores, que operavam a 10 e 100 Mbps, há a possibilidade de ser half ou full-duplex). Se as comunicações são full-duplex, então conceitualmente não existem colisões. Isso se deve ao fato de que nessas novas versões cada estação possui uma via exclusiva para transmitir e outra para receber, portanto não existe mais um meio compartilhado.
Atividade
Objetivos:
- Usar um switch ethernet para interligar computadores em uma LAN
- Identificar as informações contidas em quadros ethernet
Parte 1: reconhecendo o switch
- Conecte seu computador a um switch TP-Link. Esse switch, por sua vez, deve estar conectado à rede do laboratório.
- Refaça a medição da taxa de bits entre seu computador e o de um colega. O computador de seu colega deve estar conectado em outro switch.
- Conecte o computador de um colega ao seu switch, e teste a comunicação entre os computadores. Eles se comunicaram normalmente ?
- Aproveite e estime quanto tempo leva um pacote para ir de um computador ao outro.
- Interligue seu switch ao switch de um colega. Experimente em seguida testar a comunicação entre seu computador e o de seu colega. Que diferenças existem em relação ao experimento anterior ? O que se pode concluir ?
- Novamente estime quanto tempo leva um pacote para ir de um computador ao outro.
- Execute o wireshark em seu computador, e inicie a captura de pacotes na interface eth0.
- Capture alguns pacotes
- Selecione um ou mais pacotes e analise seus cabeçalhos ethernet. Compare essas informações com a estrutura de um quadro:
Parte 2: usando switches para implantar LANs
Usando os switches TP-Link e roteadores TP-Link Archer C7, deve-se implantar a seguinte rede:
As subredes devem ser escolhidas a critério da turma. Ao final, todos os computadores devem conseguir acessar a Internet.
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