Mudanças entre as edições de "PJI3 20202"
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+ | =09/12/2020: Introdução a LAN= | ||
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+ | <font size="3"> | ||
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+ | ''Referências bibliográficas:'' | ||
+ | * Capítulo 13 do livro "Comunicação de Dados e Redes de Computadores", de Berhouz Forouzan | ||
+ | * Capítulo 5 do livro "Redes de Computadores e a Internet, 5a edição", de James Kurose | ||
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+ | = Distinção entre WAN, MAN e LAN = | ||
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+ | Existe uma [https://pt.wikipedia.org/wiki/Rede_de_computadores#Modelagem_de_rede_de_computadores_segundo_Tanenbaum classificação de redes de computadores segundo sua abrangência]. Segundo ela, as redes podem ser divididas em: | ||
+ | * '''LAN (Local Area Network, ou Rede Local):''' É uma rede onde seu tamanho se limita a apenas uma pequena região física. Uma rede de área local (LAN) é uma rede que conecta computadores e dispositivos em uma área geográfica limitada, como uma casa, escola, prédio de escritórios ou grupo de edifícios bem posicionado. LANs com fio são provavelmente baseadas em tecnologia Ethernet. Novos padrões como o [https://en.wikipedia.org/wiki/G.hn ITU-T G.hn] também fornecem uma maneira de criar uma LAN com fio usando a fiação existente, como cabos coaxiais, linhas telefônicas e linhas de energia. | ||
+ | *'''MAN (Metropolitan Area Network, ou rede metropolitana):''' A MAN é uma rede que se espalha por uma cidade. Por exemplo, uma rede de farmácias, em uma cidade, onde todas acessam uma base de dados comum. As MAN oferecem altas taxas de transmissão, baixas taxas de erros, e geralmente os canais de comunicação pertencem a uma empresa de de telecomunicações que aluga o serviço ao mercado. As redes metropolitanas são padronizadas internacionalmente pela IEEE 802, e ANSI, e padrões conhecidos para a construção de MAN são [https://en.wikipedia.org/wiki/Metro_Ethernet Metro Ethernet], [http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialfr/Default.asp Frame Relay], [http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialpontec2/default.asp PON] (entre outros). Outro exemplo de rede metropolitana é o [https://pt.wikipedia.org/wiki/DOCSIS sistema utilizado nas TV's a cabo]. | ||
+ | *'''WAN (Wide Area Network, ou rede de longa distância):''' Uma WAN integra equipamentos em diversas localizações geográficas (hosts, computadores, routers/gateways, etc.), envolvendo diversos países e continentes. | ||
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+ | Essa classificação é útil, pois o projeto do provedor metropolitano envolve a implantação de redes desses três tipos: | ||
+ | * '''Núcleo da rede do provedor (backhaul):''' o núcleo de sua rede forma uma MAN que se espalha por sua região de cobertura. Essa rede é formada por equipamentos de interconexão e acesso aos clientes, e enlaces segundo alguma tecnologia apropriada. Ela inclui também os enlaces de acesso aos clientes do provedor, sejam por fibra ou rádio. | ||
+ | * '''Rede administrativa do provedor:''' a empresa do provedor deve ter uma LAN com alguns servidores, computadores de uso administrativo e técnico, além de equipamentos para interligá-los. | ||
+ | * '''Enlaces de acesso a Internet:''' a rede do provedor deve possuir enlaces WAN para integrar sua rede a Internet. | ||
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+ | Para fins de ilustração, seguem alguns exemplos de redes WAN no Brasil: | ||
+ | * RNP [https://www.rnp.br/institucional/nossa-historia ao longo dos anos], [https://www.pop-sc.rnp.br/servicos/conectividade/#acesso_backbone_rnp 2016] | ||
+ | * Embratel [http://www.starone.com.br/ WAN por satélite (StarOne)], [https://www.embratel.com.br/conectividade serviços de dados] | ||
+ | * Eletronet [https://eletronet.com/wp-content/uploads/2017/01/mapa-rede-eletronet-2018-ampliado-730x1024.png Mapa Eletronet] | ||
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+ | Este outro exemplo apresenta um diagrama de uma rede MAN MetroEthernet em Florianópolis (diagrama antigo .. tal rede não deve mais ser assim !): | ||
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+ | [[imagem:Man-metro.png]] | ||
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+ | Outra possível MAN integraria uma região de uma cidade, como mostrado a seguir: | ||
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+ | [[imagem:pji3-Metro2.jpg|600px]] | ||
+ | <br>''Uma rede MAN baseada em Ethernet (MetroEthernet)'' | ||
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+ | = Redes Locais (LAN) = | ||
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+ | Obs: obtido de ''Data and Computer Communications'', livro de William Stallings, 8a edição: | ||
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+ | * Uma LAN consiste de um '''meio de transmissão compartilhado''' e um conjunto de hardware e software para servir de interface entre dispositivos e o meio de transmissão, além de regular o acesso ao meio de forma ordenada. | ||
+ | * As topologias usadas em LANs são anel (''ring''), barramento (''bus''), árvore (''tree'') e estrela (''star''). Uma LAN em anel consiste de um laço fechado formado por repetidores que possibilitam que dados circulem ao redor do anel. Um repetidor pode funcionar também como um ponto de acesso de um dispositivo. Transmissão geralmente se dá na forma de '''quadros''' (''frames''). As topologias barramento e árvore são segmentos de cabos passivos a que os dispositivos são acoplados. A transmissão de um quadro por um dispositivo (chamado de '''estação''') pode ser escutada por qualquer outra estação. Uma LAN em estrela inclui um nó central onde as estações são acopladas. | ||
+ | * Um conjunto de '''padrões''' definido para LANs especifica uma faixa de taxas de dados e abrange uma variedade de topologias e meios de transmissão. | ||
+ | * Na maioria dos casos, uma organização possui múltiplas LANs que precisam ser interconectadas. A abordagem mais simples para esse problema se vale de equipamentos chamados de '''pontes''' (''bridges''). Os conhecidos ''switches Ethernet'' são exemplos de pontes. | ||
+ | * [http://en.wikipedia.org/wiki/Network_switch Switches] formam os blocos de montagem básicos da maioria das LANs (não muito tempo atrás [http://en.wikipedia.org/wiki/Ethernet_hub hubs] também eram usados). | ||
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+ | == Algumas tecnologias == | ||
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+ | * [http://en.wikipedia.org/wiki/Ethernet Ethernet (IEEE 802.3)]: largamente utilizada hoje em dia, na prática domina amplamente o cenário de redes locais. | ||
+ | * [http://en.wikipedia.org/wiki/Token_ring Token Ring (IEEE 802.5)]: foi usada nos anos 80 e início dos anos 90, mas está em desuso ... muito difícil de encontrar uma rede local deste tipo hoje em dia. | ||
+ | * [https://en.wikipedia.org/wiki/Fibre_Channel Fiber Channel]: criada especificamente para interligar servidores em redes de armazenamento de dados (SAN). | ||
+ | * [http://en.wikipedia.org/wiki/InfiniBand Infiniband]: especificamente criada para interligar equipamentos para fins de computação de alto-desempenho. Mantém-se na ativa nesse nicho específico. | ||
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+ | == Topologias == | ||
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+ | Uma ''topologia de rede'' diz respeito a como os equipamentos estão interligados. No caso da rede local, a topologia tem forte influência sobre seu funcionamento e sobre a tecnologia adotada. Dependendo de como se desenha a rede, diferentes mecanismos de comunicação são necessários (em particular o que se chama de ''acesso ao meio''). A eficiência da rede (aproveitamento da capacidade de canal, vazão) e sua escalabilidade (quantidade de computadores e equipamentos que podem se comunicar com qualidade aceitável) também possuem relação com a topologia. A tabela abaixo exemplifica topologias conhecidas de redes locais. | ||
+ | |||
+ | {| border="1" cellpadding="2" | ||
+ | !Topologia | ||
+ | !Exemplo | ||
+ | !Tecnologias | ||
+ | |- | ||
+ | |''Estrela''|| [[imagem:lan-Star.png|60px]] || Ethernet (IEEE 802.3) com hubs e switches | ||
+ | |- | ||
+ | |''Anel''<br>(em desuso) || [[imagem:lan-Ring.png|100px]] || Token-ring (IEEE 802.5), FDDI | ||
+ | |- | ||
+ | |''Barramento''<br>(em desuso)|| [[imagem:lan-Bus.png|80px]]|| Ethernet (IEEE 802.3) | ||
+ | |- | ||
+ | |''Árvore'' || [[imagem:lan-Tree.png|140px]] || Ethernet (IEEE 802.3) com hubs e switches | ||
+ | |- | ||
+ | |''Árvore-gorda (Fat-tree)'' ||[[imagem:lan-Fat-tree.png|140px]] || Ethernet (IEEE 802.3) com hubs e switches | ||
+ | |} | ||
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+ | == Exemplos de uso de redes locais== | ||
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+ | Exemplos de redes locais são fáceis de apresentar. Praticamente toda rede que interconecta computadores de usuários é uma rede local - mesmo no caso de redes sem-fio, um caso especial a ser estudado mais a frente. A rede do laboratório de Redes de Computadores, onde temos nossas aulas, é uma rede local. Os demais computadores do câmpus formam outra rede local. Quando em casa se instala um roteador ADSL e se conectam a ele um ou mais computadores, cria-se também uma rede local. Portanto, redes locais são bastante comuns e largamente utilizadas. Ainda assim, cabem alguns outros exemplos de possíveis redes locais, mostrados abaixo: | ||
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+ | [[imagem:Lan2-2011-1.png|600px]] | ||
+ | <br>''Uma LAN típica com um link para Internet'' | ||
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+ | [[imagem:Cisco-datacenter.jpg|400px]] | ||
+ | <br>''Uma LAN que integra servidores em um datacenter'' | ||
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+ | [[imagem:San.gif|400px]] | ||
+ | <br>''Um tipo de LAN especial para interligar servidores de armazenamento (storage), chamada SAN (Storage Area Network)'' | ||
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+ | = Arquitetura IEEE 802 = | ||
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+ | * [http://tele.sj.ifsc.edu.br/~msobral/RCO2/docs/ieee/ Alguns textos de padrões IEEE 802] | ||
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+ | A [https://standards.ieee.org/findstds/standard/802-2014.html 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. | ||
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+ | [[imagem:Arq-ieee.png|400px]] | ||
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+ | Alguns padrões conhecidos ([http://standards.ieee.org/search-results.html?facetValue=4294967268,4294967245&q=Standard 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 | ||
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+ | == Protocolo de acesso ao meio (MAC) == | ||
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+ | 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: | ||
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+ | [[imagem:pji3-Ether-frame.jpg]] | ||
+ | <!--[[imagem:Quadro-ethernet.png|600px]] | ||
+ | <br>''Quadro ethernet'' --> | ||
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+ | * '''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: | ||
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+ | [[imagem:pji3-MAC-48_Address.svg]] | ||
+ | <br>''Formato do endereço MAC (criado por: Inductiveload, modificado/corrigido por: Kju [https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1852032 Link do original])'' | ||
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+ | * '''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. | ||
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+ | == Padrão IEEE 802.3 (Ethernet) == | ||
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+ | * Ver seção 5.4 do livro ''Redes de Computadores e a Internet, 6a edição'', de James Kurose e Keith Ross. | ||
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+ | [[Imagem:Ethernet.png|600px]] | ||
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+ | ''Desenho usado por Bob Metcalfe, um dos criadores da Ethernet, para apresentação em uma conferência em 1976.'' | ||
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+ | 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. | ||
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+ | [[imagem:Lab1-lan-demo.png|400px]] | ||
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+ | 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. | ||
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+ | [[imagem:Lab1-nic-switch.png|400px]] | ||
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+ | 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 ! | ||
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+ | 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: | ||
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+ | # '''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. | ||
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+ | 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. | ||
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+ | 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 [http://www.arandanet.com.br/assets/revistas/rti/2010/julho/index.php da revista RTI online]). Uma tabela dessas extensões ao padrão podem ser vistas na Wikipedia. | ||
+ | * [https://pt.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.3 Padrão IEEE 802.3 na Wikipedia] | ||
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+ | 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. | ||
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+ | 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. | ||
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+ | * [https://pt.wikipedia.org/wiki/CSMA/CD Exemplo CSMA/CD] | ||
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+ | [[imagem:Csmacd-fluxograma.jpg]] | ||
+ | <br>''Fluxograma para o acesso ao meio com CSMA/CD do padrão IEEE 802.3.'' | ||
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+ | 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. | ||
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+ | =16/12/2020: Interligação de LANs= | ||
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+ | * Capítulo 16 do livro "''Comunicação de Dados e Redes de Computadores, 4a ed.''", de Behrouz Forouzan. | ||
+ | * Capítulo 5 do livro "''Redes de Computadores e a Internet, 5a ed.''", de James Kurose. | ||
+ | * Capítulo 4 do livro "''Redes de Computadores, 4a ed.''", de Andrew Tanenbaum. | ||
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+ | Nas [[PJI11103:_Introdução_a_LAN|aulas sobre introdução a redes locais (LAN)]], foi visto que um elemento essencial para criar uma LAN é o switch. Esse equipamento serve para interligar os demais dispostivos que usam a rede, tais como computadores, servidores e roteadores. Toda a organização de uma LAN, que diz respeito ao desenho da rede (sua topologia) e controles sobre as comunicações dos dispositivos no escopo da LAN, são feitos nos switches por meio de algumas tecnologias para interligação de redes locais. | ||
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+ | == Interligação de LANs ([http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.1D-2004.html norma IEEE802.1D]) == | ||
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+ | * [https://www.youtube.com/watch?v=Ofjsh_E4HFY Comparação entre hub (??), switch e roteador] | ||
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+ | As LANs podem ser interligadas utilizando ativos de redes como: hubs, switches e roteadores. Porém nesta seção trataremos dos switches, que são equipamentos que funcionam em conformidade com o padrão IEEE 802.1D. Os switches são peças essenciais na infraestrutura de uma LAN, ... | ||
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+ | Nos dias atuais, não é mais usual utilizar bridges para dividir a rede em segmentos pois os switches já desempenham essa função. Os switches criam segmentos individuais para cada host, o que elimina o problema das colisões, além de possibilitar segmentar uma rede. Um switch possui várias portas, cada qual podendo se conectar a um computador ou a uma outra LAN. A função do switch é repassar os quadros entre os computadores que estão conectados a ele, utilizando o endereço MAC de destino existente em cada quadro para determinar por qual porta retransmiti-lo. | ||
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+ | Um switch aprende dinamicamente os endereços MAC acessíveis em cada porta usando a técnica ''bridge learning''. Para saber quais os endereços MAC conectados a cada porta, um switch registra em uma tabela o endereço MAC de origem de um quadro recebido por uma porta. Essa tabela de endereços MAC associa cada endereço aprendido à porta por onde o respectivo quadro foi recebido. Por exemplo, imagine 2 computadores, A e B, conectados a um mesmo switch porém em portas distintas como mostrado na Figura a seguir: | ||
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+ | [[Arquivo:Ex switch.jpg|600px]] | ||
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+ | Se o computador A deseja se comunicar com B, A envia um pacote para B. Entretanto, o switch não saberá em um primeiro momento a qual porta o PC B esta conectado. Sendo assim, o switch registra em sua tabela que o computador A está conectado na porta 1 ... | ||
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+ | [[Arquivo:Ex switch2.jpg|600px]] | ||
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+ | |||
+ | ... e envia o pacote de A para todas as portas. | ||
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+ | [[Arquivo:Ex switch3.jpg|600px]] | ||
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+ | |||
+ | Apenas o B aceita o quadro, pois o endereço MAC de destino nele contido corresponde a seu próprio endereço MAC. Supondo que B responda a mensagem de A (imagine que o quadro recebido por B contivesse uma mensagem ''ICMP echo request''), o switch recebe esse quadro enviado por B, e então anota em sua tabela de endereços MAC o endereço MAC de origem desse quadro e a porta por onde foi recebido. Uma vez preenchida a tabela, o switch pode encaminhar os quadros diretamente para A e B, estabelecendo comunicação isolada entre os computadores de origem e destino. Por fim, os quadros de broadcast e multicast são sempre enviados por todas as portas do switch, a não ser que a rede seja explicitamente segmentada em VLANs (ver adiante). | ||
+ | * [http://www.sj.ifsc.edu.br/~msobral/RCO2/slides/lan-switch-transparent.swf Para ver um novo exemplo veja esta animação] | ||
+ | |||
+ | |||
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+ | [[Arquivo:Ex switch4.jpg|600px]] | ||
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+ | = Segmentação de LANs = | ||
+ | |||
+ | A segmentação física é uma solução aparentemente simples e direta. Cada subrede deve ser composta de uma estrutura exclusiva, contendo seus switches e cabeamentos. No entanto, para adotar esse tipo de segmentação, algumas modificações precisarão ser feitas na infraestrutura de rede existente. Observe a estrutura física da rede do campus: | ||
+ | |||
+ | [[imagem:Rede-ifsc-sj.png|600px]] | ||
+ | |||
+ | |||
+ | O que seria necessário fazer para implantar uma segmentação física ? | ||
+ | |||
+ | == Segmentação com VLANs == | ||
+ | |||
+ | Se a reestruturação pudesse ser efetuada com mínimas modificações na estrutura física (incluindo cabeamento), a implantação da nova rede seria mais rápida e menos custosa. Para isso ser possível, seria necessário que a infraestrutura de rede existente tivesse a capacidade de agrupar portas de switches, separando-as em segmentos lógicos. Quer dizer, deveria ser possível criar '''redes locais virtuais''', como mostrado na seguinte figura: | ||
+ | |||
+ | [[imagem:Vlans.png]] | ||
+ | |||
+ | No exemplo acima, três redes locais virtuais ('''VLAN''') foram implantadas nos switches. Cada rede local virtual é composta por um certo número de computadores, que podem estar conectados a diferentes switches. Assim, uma rede local pode ter uma estrutura lógica diferente da estrutura física (a forma como seus computadores estão fisicamente interligados). Uma facilidade como essa funcionaria, de certa forma, como um ''patch panel'' virtual, que seria implementado diretamente nos switches. | ||
+ | |||
+ | '''Redes locais virtuais''' são técnicas para implantar duas ou mais redes locais<br>com topologias arbitrárias, usando como base uma infraestrutura de rede local física.<br>Isso é semelhante a máquinas virtuais, em que se criam computadores virtuais<br>sobre um computador real. | ||
+ | |||
+ | == Padrão IEEE 802.1q == | ||
+ | |||
+ | Os primeiros switches com suporte a VLANs as implementavam de forma legada (i.e. não seguiam um padrão da indústria). Isso impedia que houvesse interoperabilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes. Logo a IEEE formou um grupo de trabalho para propor mecanismos padronizados para implantar VLANs, dando origem ao padrão [http://tele.sj.ifsc.edu.br/~msobral/RCO2/docs/ieee/802.1Q-2005.pdf IEEE 802.1q]. Os fabricantes de equipamentos de rede o adataram largamente, suplantando outras tecnologias legadas (ex: [http://www.cisco.com/en/US/tech/tk389/tk689/technologies_tech_note09186a0080094665.shtml ISL] e [http://www.cisco.com/en/US/tech/tk389/tk689/technologies_tech_note09186a0080094c52.shtml VTP] da Cisco). Com isso, VLANs IEEE 802.1q podem ser criadas usando switches de fabricantes diferentes. | ||
+ | |||
+ | Atualmente, a implantação de VLANs depende de switches com suporte ao padrão IEEE 802.1q. Assim, verifique quais dos switches do laboratório possuem suporte a VLAN: | ||
+ | * D-Link DES-526 [http://www.sj.ifsc.edu.br/~msobral/IER/roteiros/manual-des3526.pdf (manual)] | ||
+ | * Micronet SP 1658B [http://www.sj.ifsc.edu.br/~msobral/IER/roteiros/SP1658B_Manual.pdf (manual)] | ||
+ | * 3Com 3224 [http://www.3com.com/prod/pt_la_amer/detail.jsp?tab=prodspec&sku=3C16479 (especificações)] | ||
+ | |||
+ | Uma VLAN é identificada por um número, chamado VID (''VLAN Identifier''), sendo que a VLAN com VID 1 é considerada a ''VLAN default'' (configuração de fábrica). Em um switch com suporte a VLAN IEEE 802.1q, cada porta possui um (ou mais ...) VID, o que define a que VLAN pertence. Assim, para criar uma VLAN, devem-se modificar os VID das portas de switches que dela farão parte. Por exemplo, em uma pequena rede com duas VLANs as portas dos switches podem estar configuradas da seguinte forma: | ||
+ | |||
+ | |||
+ | [[imagem:Bridge3.png]] | ||
+ | |||
+ | Além do VID, a configuração da porta de um switch deve especificar o modo de operação da VLAN: | ||
+ | * '''tagged (ou TRUNK):''' cada quadro transmitido ou recebido por essa porta deve conter o número da VLAN a que pertence. Esse modo é usado normalmente em portas que interligam switches. | ||
+ | * '''untagged (ou ACCESS):''' quadros que entram e saem pela porta não possuem informação sobre a VLAN a que pertencem. Usado normalmente para conectar computadores e servidores a switches. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Esses modos '''tagged''' e '''untagged''' implicam haver uma forma de um quadro Ethernet informar a que VLAN pertence. Isso é usado para restringir a propagação de quadros, fazendo com que sejam recebidos e transmitidos somente por portas de switches que fazem parte de suas VLANs. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | O padrão IEEE 802.1q define, entre outras coisas, uma extensão ao quadro MAC para identificar a que VLAN este pertence. Essa extensão, denominada tag (etiqueta) e mostrada na figura abaixo, compõe-se de 4 bytes situados entre os campos de endereço de origem e ''Type''. O identificador de VLAN (VID) ocupa 12 bits, o que possibilita portanto 4096 diferentes VLANs. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | [[imagem:Quadro-8021q.png]] | ||
+ | <br>''Quadro ethernet com a TAG IEEE 802.1q'' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | A ''tag'' de VLAN, inserida em quadros Ethernet, está diretamente relacionada com os modos '''tagged''' e '''untagged''' de portas de switches. Portas em modo '''tagged''' transmitem e recebem quadros que possuem ''tag'', e portas em modo '''untagged''' recebem e transmitem quadros que não possuem ''tag''. Isso foi pensado para tornar a implantação de VLANs transparente para os usuários finais, pois seus computadores não precisarão saber que existem VLANs (i.e. não precisarão interpretar ''tags''). Por isso equipamentos que não interpretam ''tags'' são denominados ''VLAN-unaware'' (desconhecem VLAN), e equipamentos que recebem e transmitem quadros com ''tag'' são referidos como ''VLAN-aware'' (conhecem VLAN). | ||
+ | |||
+ | |||
+ | '''Exemplo: simulador de switch com VLAN:''' | ||
+ | <br>Esta animação possibilita simular a configuração de VLANs em um switch, e efetuar testes de transmissão. Experimente criar diferentes VLANs e observar o efeito em transmissões unicast e broadcast (clique na figura para acessar o simulador). | ||
+ | |||
+ | [[imagem:Simulador-vlan.png|link=http://www2.rad.com/networks/2006/vlan/demo.htm|Um simulador de VLANs]] | ||
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+ | </font> | ||
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+ | =03/02/2021: LANs e caminhos fechados= | ||
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+ | <font size="3"> | ||
+ | |||
+ | * Capítulo 16 do livro "''Comunicação de Dados e Redes de Computadores, 3a ed.''", de Behrouz Forouzan. | ||
+ | * Capítulo 5 do livro "''Redes de computadores e a Internet, Uma abordagem Top-Down. 5a edição'', de James Kurose. | ||
+ | * Capítulo 4 do livro "''Redes de Computadores, 4a ed.''", de Andrew Tanenbaum. | ||
+ | * [https://www.gta.ufrj.br/ensino/eel879/trabalhos_vf_2013_2/stp/ Um bom texto sobre STP] | ||
+ | |||
+ | |||
+ | No laboratório de Redes de Computadors, um certo dia um aluno acidentalmente pegou um cabo e ligou em duas tomadas de rede. Quer dizer, ele fez algo assim com um dos switches da rede: | ||
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+ | [[imagem:Curto-lan.png]] | ||
+ | |||
+ | = O problema dos ciclos (caminhos fechados) em uma rede local ethernet = | ||
+ | |||
+ | A interligação acidental de duas portas de um switch cria um ciclo na rede local (''loop''). Mas isso pode ser feito também de forma intencional, pois em LANs grandes pode ser desejável ter enlaces redundantes, para evitar que a interrupção de um enlace isole parte da rede. A existência de interligações alternativas portanto é algo que pode ocorrer em uma rede local, seja por acidente ou com a finalidade de conferir algum grau de tolerância a falhas na infraestrutura da rede. Um caso em que uma rede possui um ciclo intencionalmente colocado pode ser visto na LAN abaixo: | ||
+ | |||
+ | [[imagem:LAN-anel-stp.png]] | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Apesar de desejável em algumas situações, uma topologia de rede com caminhos fechados, como visto na figura acima, não pode ser instalada sem alguns cuidados. Uma rede como essa trancaria devido a um efeito chamado de ''tempestade de broadcasts'' (''broadcast storm''). Isso acontece porque, ao receber um quadro em broadcast, um switch sempre o retransmite por todas as demais portas. Para que a rede acima funcione como esperado, uma ou mais portas de switches precisarão ser desativadas de forma que o caminho fechado seja removido. Ter que fazer isso manualmente tira o sentido de ter tal configuração para tolerância a falhas (e não impede um "acidente" como aquele descrito no início desta secão), por isso foi criado o protocolo [http://en.wikipedia.org/wiki/Spanning_Tree_Protocol STP] (''Spanning Tree Protocol'', definido na norma IEEE 802.1d) para realizar automaticamente essa tarefa. | ||
+ | |||
+ | * [http://tele.sj.ifsc.edu.br/~msobral/RCO2/docs/spanning_tree1.swf Uma animação sobre STP] | ||
+ | * [http://www.visualland.net/protocol.overview.php?p=Spanning%20Tree&protocol=Spanning%20Tree&title=Spanning%20Tree%20Overview ... e várias animações sobre STP] | ||
+ | * [http://en.wikipedia.org/wiki/Spanning_tree_protocol STP na Wikipedia] | ||
+ | * [http://www.sj.ifsc.edu.br/~msobral/RCO2/docs/stp.pdf Um texto explicativo sobre STP] | ||
+ | |||
+ | A configuração STP em switches deve observar o seguinte: | ||
+ | # '''Cada switch deve ter um número que informa sua prioridade para o STP:''' quanto menor o valor, maior a prioridade. O switch raiz é aquele com a menor prioridade dentre todos os switches. Em caso de empate, o switch com menor valor de endereço MAC é escolhido. | ||
+ | #* ... o switch ''raiz'' é o switch usado como referência dentro da rede para escolher quais links entre switches serão mantidos ativados, e quais serão desativados. Quando um switch possui links alternativos para chegar até o switch raiz, o link que proporciona um caminho mais curto (ou custo menor) é mantido e os demais são desativados. | ||
+ | # '''Quando o STP está em ação, ele muda o estado de operação das portas do switch:''' | ||
+ | #* ... em cada switch, a porta que o liga em direção ao switch ''raiz'' se chama '''porta raiz'''. | ||
+ | #* ... as portas de um switch que permancem ativadas são chamadas de '''portas designadas'''. | ||
+ | #* ... as portas de um switch que são desativadas são denominadas '''portas bloqueadas''' | ||
+ | #* Essas informações podem ser vistas no status do STP | ||
+ | # '''STP deve ser ativado nas portas dos switches:''' alguns modelos de switch exigem que se informe em quais portas o STP deve ser ativado. | ||
+ | # '''RSTP é melhor que STP:''' o protocolo RSTP é uma versão melhorada do STP, a qual resolve o problema de caminhos fechados mais rapidamente. | ||
+ | # '''STP roda de forma independente para cada VLAN:''' ao coinfigurar os switches, deve-se observar que o STP roda de forma independente para cada VLAN. | ||
+ | |||
+ | =Exercícios= | ||
+ | |||
+ | == Objetivos == | ||
+ | |||
+ | * Criar redes locais com caminhos fechados (''loops'') | ||
+ | * Compreender o efeito de caminhos fechados em uma LAN | ||
+ | * Usar o protocolo STP para que a rede opere com redundância | ||
+ | |||
+ | === Introdução === | ||
+ | |||
+ | A interligação de segmentos de uma LAN pode conter enlaces redundantes para prover tolerância a falhas: caso um enlace falhe, o que isolaria uma parte da rede, outro enlace pode ser usado para manter a conectividade. No entanto a existência de enlaces redundantes cria loops (“circuitos fechados”) na rede, e isto causa sérios problemas: | ||
+ | # Os switches não conseguem localizar corretamente as estações, pois a repetição de quadros para estações ainda desconhecidas, ou quadros em broadcast, faz com que a estação de origem apareça a cada repetição em um segmento diferente da rede. | ||
+ | # Quadros em broadcast ficam presos eternamente nos loops, consumindo parte da capacidade da rede. À medida que mais quadros em broadcast forem transmitidos, a capacidade disponível se reduz, até que em algum momento chegue a um colapso. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | [[imagem:Stp-exemplo.png]] | ||
+ | |||
+ | |||
+ | A solução para esse problema é eliminar os loops desabilitando alguns enlaces, de forma que sempre exista apenas um caminho entre cada par de estações na rede. Isto se faz com um algoritmo chamado de Spanning Tree, e que é implementado pelo protocolo STP (Spanning Tree Protocol), definido na norma IEEE 802.1d. Esse protocolo identifica um switch como sendo o nó raiz da rede, | ||
+ | e faz com que cada outro switch tenha apenas um enlace em direção à raiz. A seleção do nó raiz depende dos identificadores dos switches, chamados de Bridge ID, e a escolha dos enlaces a serem mantidos depende do custo do caminho até a raiz. O protocolo funciona com o envio periódico de mensagens de configuração, chamadas de BPDU (Bridge PDU), por todos os switches da rede. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | O estudo sobre STP usará como conceito uma rede local em que três switches formam um anel. Essa rede possui uma estrutura típica para uma pequena empresa, como se pode ver na figura abaixo. | ||
+ | |||
+ | [[imagem:LAN-anel-stp.png]] | ||
+ | |||
+ | * [http://tele.sj.ifsc.edu.br/~msobral/pji3/lab7/stp.conf Arquivo de configuração do netkit2 (stp.conf)] | ||
+ | |||
+ | == Parte 1: O efeito de caminhos fechados == | ||
+ | |||
+ | # Execute o experimento do Netkit correspondente à rede da ilustração 1. Essa rede inicialmente está com o ciclo rompido (uma das interfaces de um dos switches está desativada). | ||
+ | # Inicie o experimento. Quando todas as máquinas virtuais estiverem rodando, tente fazer um ping de alguma máquina virtual para outra. Esse ping funcionou normalmente ? | ||
+ | # Reative a interface do switch1 (com ''ifconfig eth0 up''), e repita o ping porém tendo como alvo algum outro computador. Há algum efeito no funcionamento da rede ? O que aconteceu depois disso ? | ||
+ | # Execute o tcpdump no computador que é alvo do ping, e colete o tráfego que chega em sua interface eth0. Você precisará usar este comando:<syntaxhighlight lang=bash> | ||
+ | tcpdump -i eth0 -ln | ||
+ | </syntaxhighlight>O que você conclui quanto ao tráfego na rede ? Descreva exatamente o que está acontecendo e qual a causa. | ||
+ | # Mantendo o tcpdump em execução desative novamente a interface do switch1 que o liga ao switch3. O que aconteceu no padrão de tráfego mostrado pelo tcpdump ? E como ficou o desempenho da rede ? Como você relaciona isso com o que foi concluído no ítem 4 ? | ||
+ | |||
+ | == Parte 2: O protocolo STP como possível solução == | ||
+ | |||
+ | Com base na rede da parte 1 deste roteiro, faça o seguinte: | ||
+ | |||
+ | # Ative o protocolo STP em todos os switches usando este comando:<syntaxhighlight lang=bash> | ||
+ | brctl stp vlan1 on | ||
+ | </syntaxhighlight> ... e então repita os passos 3 e 4 da parte 1 do roteiro. A rede funcionou normalmente desta vez ? | ||
+ | # Execute o ping a partir de um computador que está conectado ao switch1 para algum computador conectado ao switch3. Enquanto isto, desative a interface do switch1 que o conecta ao switch3. O ping continuou a funcionar ? Houve alguma interrupção, mesmo que temporária ? | ||
+ | # Reative a interface do switch1. Como se comportou o ping enquanto isso ? | ||
+ | # O que você conclui sobre o papel do protocolo STP em redes locais em que há ligações alternativas (i.e: a topologia física da rede apresenta laços ou ciclos) ? | ||
+ | # Entre os passos 1 e 3 a rede mudou seu funcionamento devido ao uso do STP. Para investigar em detalhes o que esse protocolo fez nos switches, vamos repetir o experimento, porém a cada etapa consultando as informações sobre o STP em cada switch. Assim, a cada modificação feita na rede (ativação ou desativação de interfaces), vamos executar os seguintes comandos em cada switch:<syntaxhighlight lang=bash> | ||
+ | brctl showstp vlan1 | ||
+ | brctl showmacs vlan1 | ||
+ | </syntaxhighlight>Além disso, vamos também executar o tcpdump na interface do switch1 que o conecta ao switch3:<syntaxhighlight lang=bash> | ||
+ | tcpdump -i eth0 -ln | ||
+ | </syntaxhighlight> | ||
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+ | </font> | ||
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+ | =05/02/2021: LANS e agregação de enlaces= | ||
+ | |||
+ | {{Collapse top | Aula 15}} | ||
+ | <font size="3"> | ||
+ | |||
+ | * [https://en.wikipedia.org/wiki/Link_aggregation Agregação de enlace na wikipedia] | ||
+ | * [https://www.auvik.com/media/blog/network-basics-link-aggregation/ Link Aggregation Basics] | ||
+ | * [https://thenetworkway.wordpress.com/2015/05/01/an-overview-of-link-aggregation-and-lacp/ Outra introdução a agregação de enlace] | ||
+ | * [https://www.thomas-krenn.com/en/wiki/Link_Aggregation_and_LACP_basics Mais uma introdução a agregação de enlace e LACP] | ||
+ | * [http://tele.sj.ifsc.edu.br/~msobral/pji3/Extreme_LACP.pdf Uma apresentação sobre agregação de enlace e LCAP] | ||
+ | * [https://ieeexplore.ieee.org/document/7055197/ Padrão IEEE 802.1ax] | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Em uma LAN composta por switches, enlaces entre switches formados por um único cabo apresentam algumas limitações: | ||
+ | # Se algum problema acontecer com o cabo, ou nas portas dos switches envolvidos, a comunicação entre os switches é interrompida | ||
+ | # O enlace pode se tornar um gargalo, caso por ele passe um tráfego agregado de grande intensidade | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Para entender essas questões, tome-se como exemplo a seguinte rede: | ||
+ | |||
+ | [[image:pji3-Lag0.jpg]] | ||
+ | <br>''Uma rede com um switch central (core) e switches periféricos'' | ||
+ | |||
+ | Nessa rede, o switch central (''core'') integra os demais switches da rede. Todo o tráfego entre os dois lados da rede passa por esse switch, e pelos enlaces entre ele e os switches periféricos. Se um desses enlaces se romper, os dois lados da LAN ficam isolados. E, se muitos computadores estiverem se comunicando dois lados da rede, o switch ''core'' se torna um gargalo, limitando a taxa de transmissão máxima que pode ser obtida. | ||
+ | |||
+ | = Agregação de enlace = | ||
+ | |||
+ | A agregação de enlace (''LA'' - ''Link Agregation''), descrita no padrão [https://ieeexplore.ieee.org/document/7055197/ IEEE 802.1ax], possibilita que dois ou mais enlaces físicos entre dois switches operem como um único enlace lógico (chamado de ''LAG - Link Aggregation Group''). O enlace agregado tem uma capacidade que equivale à soma das capacidades dos enlace físicos. Assim, um enlace agregado composto por dois enlaces físicos de 1 Gbps tem capacidade de 2 Gbps. Além disso, se um dos enlace físicos se romper, o enlace agregado continua a funcionar, porém com capacidade reduzida. A figura a seguir ilustra um enlace agregado formado por três enlaces físicos entre dois switches. | ||
+ | |||
+ | [[imagem:pji3-Lag1.jpg|500px]] | ||
+ | <br>''Um enlace agregado entre dois switches formado por três enlaces físicos'' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | O estabelecimento do enlace agregado envolve configurar as portas os switches que dele fazem parte. Isso pode ser feito de forma estática ou dinâmica: | ||
+ | * '''Estática:''' definem-se manualmente nos switches as portas que fazem parte do enlace agregado. | ||
+ | * '''Dinâmica:''' definem-se nos switches os grupos de portas que podem estabelecer enlace agregados. O protocolo LACP (''Link Aggregation Control Protocol'') é então utilizado para que os switches negociem o estabelecimento do enlace agregado. | ||
+ | |||
+ | == LACP: ''Link Aggregation Control Protocol'' == | ||
+ | |||
+ | * [https://www.linkedin.com/pulse/etherchannel-link-aggregation-lacp-pagp-dany-hallak Um texto introdutório sobre LACP] | ||
+ | |||
+ | O protocolo LACP negocia enlaces agregados entre switches, contanto que estas condições estejam satisfeitas: | ||
+ | * os enlaces físicos sejam full-duplex | ||
+ | * todos enlaces envolvidos possuam mesma taxa de bits | ||
+ | * os enlaces físicos estejam entre os mesmos dois switches | ||
+ | |||
+ | Estas figuras (obtidas [https://www.linkedin.com/pulse/etherchannel-link-aggregation-lacp-pagp-dany-hallak nesta página]) ilustram o estabelecimento de um enlace agregado com LACP, uma vez que as condições acima estejam satisfeitas: | ||
+ | |||
+ | [[imagem:pji3-La1a.jpeg|600px]] | ||
+ | <br>''Dois switches com quatro enlaces físicos de 100 Mbps entre eles'' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | [[imagem:pji3-La1b.jpeg|600px]] | ||
+ | <br>''Após formação do enlace agregado, é como se houvesse um enlace de 400 Mbps (4 x 100 Mbps)'' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Uma vez estabelecido um enlace agregado, chamado de LAG, o LACP trabalha para que: | ||
+ | * O enlace se recupere automaticamente em caso de falha de um ou mais enlaces físicos. Contanto que ao menos um enlace físico esteja em funcionamento, o enlace LAG continua a existir. | ||
+ | * Os quadros de transmissões de dados sejam distribuídos entre os enlaces físicos. | ||
+ | * Todos os quadros de uma comunicação em particular sejam transmitidos por um mesmo enlace físico, de forma a garantir que eles sejam recebidos na mesma ordem em que foram enviados. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Por fim, em um switch, do ponto de vista do LACP, cada porta pode ser ''ativa'' ou ''passiva'': | ||
+ | * '''Ativa:''' a porta toma iniciativa de enviar mensagens LACP para negociar o enlace agregado com o porta do outro switch onde está conectada | ||
+ | * '''Passiva:''' a porta não envia mensagens LACP, a não ser que receba uma mensagem LACP vinda do outro switch. | ||
+ | |||
+ | = Atividades = | ||
+ | |||
+ | == Objetivos == | ||
+ | |||
+ | * Criar redes locais com enlaces agregados estaticamente | ||
+ | * Criar redes locais com enlaces agregados dinamicamente | ||
+ | * Testar a resiliência dos enlaces agregados | ||
+ | |||
+ | == Parte 1: Enlace agregado estaticamente == | ||
+ | |||
+ | Em um enlace agregado estaticamente, as portas envolvidas são predefinidas e somente podem ser alteradas manualmente. Com isso, se um enlace físico falhar, parte dos quadros transmitidos será perdida. Os experimentos seguintes buscam verificar o comportamento de um enlace agregado estaticamente. | ||
+ | |||
+ | # Execute o [[Netkit2|netkit2]] e nele carregue [http://tele.sj.ifsc.edu.br/~msobral/pji3/lab8/aggr1.conf este arquivo de configuração (aggr1.conf)]. Ele representa esta rede: <br>[[imagem:pji3-Aggr1.png|350px]]<br>A interface ''bond0'' representa um link agregado, cujas portas físicas são ''eth1'' e ''eth2''. | ||
+ | # Inicie a rede no ''netkit2''. Em seguida selecione ''pc1'', e nele execute este comando: <syntaxhighlight lang=bash> | ||
+ | ping 10.0.0.2 | ||
+ | </syntaxhighlight>... para fazer um ''ping'' para ''pc2''. | ||
+ | # Selecione o switch ''sw1'', e nele visualize o tráfego que passa pela interface ''bond0''. Essa é a interface que representa o enlace agregado: <syntaxhighlight lang=bash> | ||
+ | tcpdump -i bond0 -ln | ||
+ | </syntaxhighlight>... e observe que as mensagens ICMP do ''ping'' fluem normalmente. | ||
+ | # Interrompa o monitoramento da interface ''bond0'', e em seguida monitore a interface ''eth1'' (que é uma das portas associada ao enlace agregado): <syntaxhighlight lang=bash> | ||
+ | tcpdump -i eth1 -ln | ||
+ | </syntaxhighlight> ... qual a diferença em relação ao tráfego mostrado na interface ''bond0'' ? Repita o monitoramento, porém na interface ''eth2'' (a outra porta do enlace agregado), e compare o resultado com o que se viu nas interfaces ''eth1'' e ''bond0''. O que se pode concluir quanto à transmissão dos quadros pelo enlace agregado ? | ||
+ | # Agora em ''sw1'' use o programa ''ifconfig'' para desativar uma das interfaces do enlace agregado (''eth1'' ou ''eth2''). | ||
+ | # Repita o monitoramento do tráfego na interface ''bond0''. Algo mudou em relação ao que se viu no passo 3 ? | ||
+ | # Volte para ''pc1'', e veja o que o ''ping'' apresenta na tela. O que mudou em relação ao que ele apresentava antes de se desativar uma das portas do switch ''sw1'' ? | ||
+ | # Agora em ''sw2'' use o programa ''ifconfig'' para desativar uma das interfaces do enlace agregado (a mesma que foi desativada em ''sw1'') | ||
+ | # Volte para ''pc1'', e veja o que o ''ping'' apresenta na tela. O que mudou em relação ao que ele apresentava antes de se desativar um dos enlaces físicos do LAG ? | ||
+ | # O que se conclui em relação ao enlace agregado estaticamente ? Tenha em mente que enlaces agregados são criados principalmente para: | ||
+ | #* Criar um enlace de maior capacidade entre switches | ||
+ | #* Criar um enlace com tolerância a falha entre switches | ||
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+ | </font> | ||
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+ | =17/02/2021: Redes sem-fio IEEE 802.11= | ||
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+ | <font size="3"> | ||
+ | |||
+ | O provedor de acesso fornece um serviço de dados para seus clientes. Os links de acesso dos clientes têm características diferentes daqueles usados na rede local interna do provedor: | ||
+ | * A quantidade de pontos de acesso é muito maior do que na rede local interna | ||
+ | * Taxas de bits devem poder ser limitadas tanto para upstream quanto downstream | ||
+ | * As distâncias entre equipamentos do provedor e os clientes são maiores, podendo chegar a alguns quilômetros | ||
+ | * Existem diferentes tecnologias para implantar os links de acesso (EPON, GPON, xDSL, MetroEthernet, IEEE 802.11 PTMP, LTE, ...), ao contrário da rede local interna, onde tipicamente se usa somente Ethernet para rede cabeada e WiFi para rede sem-fio | ||
+ | * Os custos para implantação e operação desses links são significativos, devido às distâncias e tecnologias envolvidas | ||
+ | |||
+ | |||
+ | [[imagem:pji3-Rede-acesso.jpg|400px]] | ||
+ | <br>''A rede de acesso dos clientes'' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Os primeiros provedores de acesso, nos primórdios da Internet (meados dos anos 90 até início dos anos 2000), usavam [https://pt.wikipedia.org/wiki/Linha_discada acesso discado]. Para a realidade da época era uma escolha racional: a rede telefônica fixa atendia a maioria dos lares, e era possível transferir dados através de circuitos telefônicos. Apesar de esses links serem lentos para os padrões atuais (taxas na ordem de 30 kbps), terem baixa qualidade (muitos erros de transmissão), e serem caros (custo em função do tempo de uso), era o que havia e atendia a grande demanda das pessoas por acesso a Internet. Esse tipo de acesso somente caiu em desuso com o surgimento do [https://en.wikipedia.org/wiki/Asymmetric_digital_subscriber_line ADSL], no final dos anos 90 e início dos anos 2000, que fornecia taxas de dados bem superiores e menor custo. O acesso com ADSL ainda é usado em larga escala, porém outras tecnologias despontam e a tendência é que o suplantem. | ||
+ | |||
+ | Uma característica comum às tecnologias de acesso citadas, seja acesso discado, ADSL ou similares (como [https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_Services_Digital_Network ISDN], que não se popularizou), é estarem no domínio de operadoras de dados. Particularmente no Brasil, essas empresas nasceram dentro das grandes empresas de telecomunicações existentes, tais como as companhias telefônicas. Assim, o atendimento de clientes era feito usando infraestrutura e serviços dessas empresas, cabendo aos provedores de acesso complementarem os serviços de dados. As tecnologias envolvidas, e a rede de distribuição para atender os clientes, envolviam grandes investimentos. Porém as novas tecnologias de dados que vêm sendo adotadas têm menor custo, e podem ser implantadas em escalas menores e ainda serem viáveis. Isso tem viabilizado o surgimento de uma nova geração de provedores de acesso que não mais dependem da infraestrutura dessas grandes operadoras para implantarem links de dados para seus clientes. | ||
+ | |||
+ | = Tecnologias de acesso = | ||
+ | |||
+ | No escopo de um provedor metropolitano, algumas tecnologias de acesso têm se apresentado recentemente: | ||
+ | * Na categoria [https://www.cianet.com.br/blog/infraestrutura-e-tecnologia/por-que-utilizar-a-arquitetura-de-redes-fttx/ FTTx] destacam-se [https://www.fs.com/comparison-of-epon-and-gpon-aid-457.html GPON e EPON]: | ||
+ | ** [http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialblgpon/pagina_3.asp GPON]: usa fibra ótica passiva, com taxas típicas de até 2.5 Gbps e facilidades para condicionamento de tráfego. Segue o [https://en.wikipedia.org/wiki/G.984 GPON]: padrão ITU-T G.984]. | ||
+ | ** [http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialpontec1/pagina_3.asp EPON]: também usa fibra ótica passiva, porém com limitações se comparada a GPON (e menor custo). Apresenta taxas de 1 Gbps ou 10Gbps, e se baseia no padrão IEEE 802.3ah (uma variação de Ethernet feita para última-milha) | ||
+ | * [https://en.wikipedia.org/wiki/Point-to-multipoint_communication PTMP]: usa enlaces sem-fio, e se baseia tipicamente em uma versão modificada do padrão IEEE 802.11 (wifi), para que se adapte a links com maiores distâncias | ||
+ | * [http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialblgpon/pagina_3.asp VDSL]: esta versão turbinada do ADSL pode ser usada combinada com GPON para atender clientes de um condomínio | ||
+ | * [https://en.wikipedia.org/wiki/Metro_Ethernet MetroEthernet]: disponibiliza enlaces Ethernet adaptados para longas distâncias | ||
+ | * [https://pt.wikipedia.org/wiki/Long_Term_Evolution LTE]: tecnologia de dados para dispositivos móveis nascida para os sistemas celulares, porém passível de ser usada para enlaces de acesso em menor escala (ver por exemplo [https://www.khomp.com/pt/categoria-de-produto/lte/ esta linha de produtos] de um fabricante da Grande Florianópolis) | ||
+ | |||
+ | |||
+ | [[imagem:pji3-Tecnologias-acesso.jpg]] | ||
+ | <br>''Tecnologias de acesso (obtido desta [https://leandrodriguesilva.wordpress.com/temas-sugeridos/tecnologias-de-acesso/ fonte])'' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | No caso do provedor em implantação nesta disciplina, é útil avaliar quais tecnologias podem ser usadas. Inicialmente vale revisar o que os [[PJI11103:_Apresenta%C3%A7%C3%A3o#Tabela_de_provedores_existentes|provedores existentes]] utilizam, pois isso é um indicador de quais tecnologias estão mais popularizadas, têm menores custos e estão mais maduras. | ||
+ | |||
+ | = Redes sem-fio IEEE 802.11 = | ||
+ | |||
+ | O padrão IEEE 802.11 define uma tecnologia de redes locais sem-fio (WLAN), mais conhecida como WiFi. Esse tipo de rede tem como algumas características o baixo custo dos dispositivos, facilidade de utilização e boas taxas de transmissão em curtas distâncias (algumas dezenas de metros). Apesar de ter sido projetada para redes locais, essa tecnologia também tem sido usada para redes de média distância (alguns km). No entanto, para distâncias mais longas o padrão precisa ser adaptado para que funcione de forma eficiente. Para entender como criar enlaces de acesso sem-fio de alguns quilômetros usando esse tipo de tecnologia, é necessário entender seus princípios de funcionamento. | ||
+ | |||
+ | = Estrutura de uma rede IEEE 802.11 = | ||
+ | |||
+ | Uma rede local sem-fio (WLAN) IEEE 802.11 é implantada por um equipamento especial chamado de ''ponto de acesso'' (AP - Access Point). Esse equipamento estabelece uma WLAN, de forma que computadores, smartphones, PDAs, laptops, tablets (e outros dispositivos possíveis) possam se comunicar pelo canal sem-fio. Esses dispositivos são denominados ''estações sem-fio'' (WSTA - Wireless Station), e se comunicam usando o AP como intermediário. Isso significa que todas as transmissões na WLAN são intermediadas pelo AP: ou estão indo para o AP, ou vindo dele. Além disso, uma WSTA somente pode se comunicar na WLAN se primeiro se associar ao AP - isto é, se registrar no AP, sujeitando-se a um procedimento de autenticação. | ||
+ | |||
+ | Do ponto de vista da organização da WLAN, a menor estrutura possível é o BSS (Basic Service Set), mostrado na figura abaixo. Um BSS é formado por um AP e as WSTA a ele associadas. O BSS possui um nome, identificado pela sigla SSID (Service Set Identifier), que deve ser definido pelo gerente de rede. O BSS opera em um único canal, porém as transmissões podem ocorrer com diferentes taxas de bits (cada quadro pode ser transmitido com uma taxa, dependendo da qualidade do canal sem-fio conforme medida pela WSTA que faz a transmissão). Por fim, apenas uma transmissão pode ocorrer a cada vez, o que implica o uso de um protocolo de acesso ao meio (MAC) pelas WSTA e AP. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | [[imagem:Wlan1.png|300px]] | ||
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+ | O AP opera em nível de enlace, de forma parecida com um switch ethernet (porém sua tarefa é um pouco mais complexa ...). Isso quer dizer que o AP não usa o protocolo IP para decidir como encaminhar os quadros das WSTA, e assim não faz roteamento. Uma consequência desse modo de operação do AP é que a junção de dois ou mais AP por meio de um switch ethernet, com seus respectivos BSS, faz com que WSTAs em diferentes BSS possa se comunicar como se fizessem parte da mesma rede local. A união de dois ou mais BSS, mostrada na figura a seguir, se chama ESS (Extended Service Set). Em um ESS, todos os BSS possuem o mesmo SSID. No entanto, ao se criar um ESS deve-se cuidar para evitar que BSS vizinhos usem o mesmo canal. | ||
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+ | [[imagem:Wlan2.png|800px]] | ||
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+ | As redes IEEE 802.11b e IEEE 802.11g usam a frequência 2.4 GHz para seus canais, que são espaçados a cada 5 MHz. As redes IEEE 802.11n usam frequências de 2.4 ou 5 GHz. O pádrão mais recente, IEEE 802.11ac, usa exclusivamente 5 GHz. No caso de IEEE 802.11n, ainda a mais comum de ser usada, quando na banda de 2.4 GHz os canais são numerados de 1 a 11. Quando usa modo de modulação com largura de 20 MHz, apenas três dentre onze canais (no máximo) não apresentam sobreposição. Isso ocorre porque cada canal tem largura de 5 MHz. A tabela abaixo mostra os canais usados em IEEE 802.11n, indicando a lista de canais interferentes de cada canal. | ||
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+ | [[imagem:Wlan-canais.png]] | ||
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+ | Quando se usa modulação com largura de 40 MHz, apenas um canal pode ser usado (o canal 6), pois toda a banda disponível é usada. | ||
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+ | No caso da banda de 5 GHz há muito mais canais, e as combinações de canais não-sobrepostos se torna mais complexa: | ||
+ | * [https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_WLAN_channels#5_GHz_(802.11a/h/j/n/ac/ax) Canais 5 GHz] | ||
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+ | [[imagem:PJI3-Wifi-5ghz.jpg|400px]] | ||
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+ | == Sistemas de Distribuição == | ||
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+ | Uma típica WLAN com estrutura distribuída pode ser criada explorando-se o conceito de ''Sistema de Distribuição'' (DS - ''Distribution System''). | ||
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+ | Em uma rede IEEE 802.11, vários BSS podem se combinar para formarem um ESS (Extended Station Set). A interligação entre os AP deve ser feita em nível de enlace, seja por uma rede cabeada ou por links sem-fio. Essa interligação é denominada Sistema de Distribuição, estando exemplificada na figura abaixo: | ||
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+ | [[imagem:80211-ds.png|400px]] | ||
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+ | O sistema de distribuição funciona como uma ponte entre as WSTA, como mostrado na figura abaixo. Assim, se dois AP forem interligados, as WSTA que pertencem a seus BSS poderão se comunicar como se estivessem na mesma rede local. | ||
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+ | [[imagem:80211-ds2.png|400px]] | ||
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+ | Sistemas de distribuição podem ser implantados usando o próprio canal sem-fio, sendo assim denominados WDS (''Wireless Distribution System''). | ||
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+ | [[imagem:Pji3-80211-wds.png]] | ||
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+ | |||
+ | A cobertura de uma área envolve um planejamento que leve em conta as taxas mínimas desejáveis e as características dos equipamentos (potências de transmissão e ganhos de antenas) e do ambiente (existência de obstáculos, reflexões, e fontes de ruído). Além disso, deve-se minimzar a interferência entre BSS vizinhos, o que pode ser feito escolhendo-se canais que não se sobreponham. A figura abaixo mostra conceitualmente como se podem escolher os canais dos AP para atingir esse objetivo (no caso, para banda de 2.4 GHz e canais de 20 MHz). | ||
+ | |||
+ | [[imagem:80211-freq-planning.png]] | ||
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+ | |||
+ | Desta forma, podem-se criar BSS para cobrir uma área e aproveitar melhor a capacidade do meio de transmissão. | ||
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+ | [[imagem:80211-cobertura.png]] | ||
+ | |||
+ | Deve-se levar em conta que a qualidade do sinal tem relação com a modulação usada (e da taxa de dados), assim o limiar entre um BSS e outro depende de como as estações medem a qualidade de sinal e quais as taxas mínimas aceitáveis. A figura abaixo ilustra possíveis alcances para diferentes taxas de dados. | ||
+ | |||
+ | [[imagem:80211-ranges-rates.png|400px]]<br> | ||
+ | ''Taxas em função da distância do AP (exemplo, pois depende das condições do ambiente e dos equipamentos)'' | ||
+ | |||
+ | == Considerações sobre implantação de redes locais sem-fio == | ||
+ | |||
+ | Vimos que, para ampliar a cobertura de uma rede sem-fio IEEE 802.11, usam-se vários AP interligados em um ''Sistema de Distribuição'' (DS). Uma das maiores dificuldades ao se implantar uma rede sem-fio é determinar: | ||
+ | * quantos AP são necessários | ||
+ | * onde devem ser instalados | ||
+ | * qual o canal e potência de transmissão a serem usados em cada AP. | ||
+ | |||
+ | Existem algumas técnicas para estimar a cobertura de cada AP, dados sua potência de transmissão e as características do ambiente em que se encontra (paredes, portas, outros obstáculos). Um bom resumo pode ser encontrado no TCC [http://tele.sj.ifsc.edu.br/~msobral/RCO2/docs/cesar-2009-2.pdf "Estudo e projeto para o provimento seguro de uma infra-estrutura de rede sem fio 802.11"] de Cesar Henrique Prescher, defendido em 2009. Mas mesmo que se apliquem as recomendações ali descritas, ao final será necessário fazer uma verificação em campo da rede implantada. Para isso deve-se medir a qualidade de sinal sistematicamente na área de cobertura, para identificar regiões de sombra (sem cobertura ou com cobertura deficiente) e de sobreposição de sinais de APs. Tal tarefa implica o uso de ferramentas apropriadas e da aplicação de medições metódicas. | ||
+ | |||
+ | * [https://www.kismetwireless.net/ Kismet: uma ferramenta para análise de redes sem-fio com foco em segurança] | ||
+ | * [http://www.passmark.com/products/wirelessmonitor.htm Wireless Monitor (muita informação adicional)] | ||
+ | * [http://www.passmark.com/products/metageek-wi-spy.htm WiSpy: um dispositivo para medição de sinal] | ||
+ | * [http://www.metageek.net/products/inssider/ inSSIDer: outro Wifi Scanner] | ||
+ | |||
+ | = O MAC CSMA/CA = | ||
+ | |||
+ | O protocolo MAC usado em redes IEEE 802.11 se chama CSMA/CA (''Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance''). Ele foi desenhado para prover um acesso justo e equitativo entre as WSTA, de forma que em média todas tenhas as mesmas oportunidades de acesso ao meio (entenda isso por "oportunidades de transmitirem seus quadros"). Além disso, em seu projeto foram incluídos cuidados para quue colisões sejam difíceis de ocorrer, mas isso não impede que elas aconteçam. Os procedimentos e cuidados do MAC para evitar e tratar colisões apresentam um certo custo (''overhead''), que impedem que as WSTA aproveitem plenamente a capacidade do canal sem-fio. Consequentemente, a vazão pela rede sem-fio que pode de fato ser obtida é menor que a taxa de bits nominal (por exemplo, com IEEE 802.11g e taxa de 54 Mbps, efetivamente pode se obter no máximo em torno de 29 MBps). | ||
+ | |||
+ | O protocolo CSMA/CA implementa um acesso ao meio visando reduzir a chance de colisões. Numa rede sem-fio como essa, não é possível detectar colisões, portanto uma vez iniciada uma transmissão não pode ser interrompida. A detecção de colisões, e de outros erros que impeçam um quadro de ser recebido pelo destinatário, se faz indiretamente com quadros de reconhecimento (''ACK''). Cada quadro transmitido deve ser reconhecido pelo destinatário, como mostrado abaixo, para que a transmissão seja considerada com sucesso. | ||
+ | |||
+ | [[Imagem:Wlan-ack.png|300px]]<br> | ||
+ | ''Envio de um quadro de dados, com subsequente reconhecimento (ACK)'' | ||
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+ | |||
+ | O não recebimento de um ACK desencadeia uma retransmissão, de forma parecida com o procedimento de retransmissão do CSMA/CD ao detectar colisão. Antes de efetuar uma retransmissão, o MAC espera um tempo aleatório denominado ''backoff'' (recuo). Esse tempo é sorteado dentre um conjunto de possíveis valores que compõem a Janela de Contenção (Cw - ''Contention Window''), representados no intervalo [0, Cw]. O valor de Cw varia de <math>Cw_{min}</math> (15 para IEEE 802.11a/g/n e 31 para 802.11b) a <math>Cw_{max}</math> (1023), e praticamente dobra a cada retransmissão de um mesmo quadro. A figura abaixo ilustra as janelas de contenção para retransmissões sucessivas. | ||
+ | |||
+ | [[Imagem:Wlan-backoff.png|400px]]<br> | ||
+ | ''Backoff para retransmissões sucessivas'' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Resumidamente, o protocolo MAC usa basicamente dois mecanismos principais para fazer o acesso ao meio: | ||
+ | * Antes de uma transmissão, verifica-se se o canal está livre. Caso não esteja, deve-se primeiro aguardar que fique livre. | ||
+ | * Cada quadro transmitido deve ser confirmado pelo receptor. Isso quer dizer que o receptor deve enviar um quadro de confirmação para o transmissor (ACK). Se esse quadro ACK não for recebido, o transmissor assume que houve um erro. Nesse caso, o transmissor faz uma retransmissão. | ||
+ | * Antes de uma retransmissão o transmissor se impõem um tempo de espera aleatório chamado de ''backoff''. A duração máxima do ''backoff'' depende de quantas retransmissões do mesmo quadro já foram feitas. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | A figura abaixo ilustra um cenário em que cinco WSTA disputam o acesso ao meio. Repare os ''backoff'' feitos pelas WSTA antes de iniciarem suas transmissões. Esse ''backoff'' sempre precede uma transmissão quando a WSTA for verificar o canal sem-fio e o encontra ocupado (pense em por que o MAC deve fazer isso ...). | ||
+ | |||
+ | [[imagem:Wlan-csmaca.png|600px]] | ||
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+ | |||
+ | Por fim, o MAC CSMA/CA usado nas redes IEEE 802.11 define uma formato de quadros, mostrado na figura abaixo. Note que ele é diferente do quadro ethernet, e portanto o AP precisa traduzir os cabeçalhos de quadros que viajam da rede cabeada para a WLAN, e vice-versa. Note também que os endereços MAC do CSMA/CA são os mesmos que em redes ethernet. | ||
+ | |||
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+ | [[imagem:Wlan-frame.png|500px]] | ||
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+ | </font> | ||
+ | {{Collapse bottom | Aula 18}} | ||
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+ | =24/02/2021: Redes de Acesso para clientes (PTMP, PPPoE, EPON, ADSL)= | ||
+ | |||
+ | {{Collapse top | Aula 20}} | ||
+ | <font size="3"> | ||
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+ | = Acesso sem-fio PTMP = | ||
+ | |||
+ | Um provedor pode oferecer links de dados sem-fio para seus clientes. Isso tem a vantagem de não exigir infraestrutura entre provedor e cliente (cabos e equipamentos de interconexão), apresentando baixo custo de implantação. O atendimento de múltiplos clientes pelo provedor se apresenta como um cenário denominado PTMP (''Ponto Multiponto'', ou ''Point To MultiPoint'' no original em inglês). No provedor reside a estação base, e cada cliente usa um roteador sem-fio para estabelecer seu enlace. Esse cenário PTMP pode ser visto na seguinte figura. | ||
+ | |||
+ | [[imagem:pji3-Ptmp.jpg]] | ||
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+ | |||
+ | Redes sem-fio PTMP como essa são atualmente implementadas com base no padrão IEEE 802.11 (Wifi), porém com modificações para adaptá-lo a links de longa distância. Assim, podem-se ter as taxas de bits atuais do Wifi (ex: 150 Mbps ou 300 Mbps para IEEE 802.11n), além das funcionalidades bem conhecidas do Wifi. | ||
+ | |||
+ | = Enlaces de acesso Ethernet e PPPoE = | ||
+ | |||
+ | Uma rede MAN envolve a infraestrutura e tecnologias para interligar equipamentos de comunicação no alcance típico de uma cidade. Essa grande rede pode ser decomposta em três partes: | ||
+ | * '''Acesso:''' a rede de acesso se situa na borda da MAN, sendo composta por equipamentos que implantam os enlaces de acesso dos usuários da rede. Existem diversas tecnologias de acesso, como visto na [[PJI11103:_Etapa_2:_Redes_de_acesso_para_clientes#Tecnologias_de_acesso|aula anterior]], tais como aquelas baseadas em comunicação sem-fio (Wifi, 3G, 4G, 5G), baseadas em fibra (GPON, EPON, Ethernet), ou em cabos metálicos (xDSL, DOCSIS). | ||
+ | * '''Agregação:''' a rede de agregação interliga os equipamentos de acesso, fazendo a intermediação entre eles e o núcleo da rede. Tecnologias típicas nesse nível são MetroEthernet e . | ||
+ | * '''Núcleo:''' o núcleo da rede integra todos os equipamentos de agregação da rede, sendo possivelmente interligada com outras redes (ex: rede de operadoras). Tecnologias típicas nesse nível são IP/MPLS. | ||
+ | |||
+ | A figura a seguir exemplifica uma rede MAN com esses níveis de organização: | ||
+ | |||
+ | [[imagem:PJI3-man-arch.png|600px]] | ||
+ | <br>''Uma possível MAN ([https://www.slideshare.net/samueldr/ngn-ims fonte da imagem])'' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | No escopo do provedor de acesso que orienta o estudo em PJI3, interessa a rede de acesso com Ethernet sobre fibra ótica. Esse tipo de enlace pode ser denominado como um serviço de uma rede Metro Ethernet, pois para o usuário final o enlace de acesso funciona como uma porta de switch. | ||
+ | |||
+ | == Enlaces de acesso sobre ethernet == | ||
+ | |||
+ | Em uma rede MAN baseada em ethernet, cada usuário final (ou cliente) tem um link de acesso que se apresenta como uma porta de switch. Sendo assim, para esse cliente o link de acesso tem características de um link para uma rede local (LAN). Como nesse tipo de link todos os equipamentos que residem numa mesma LAN podem se comunicar diretamente um com o outro, deve haver uma forma de isolar os clientes, para que se comuniquem somente com o roteador do provedor. A figura a seguir ilustra de forma simplificada como os links para os clientes são fornecidos, e porque, se cuidados não forem tomados, eles podem se comunicar diretamente. | ||
+ | |||
+ | [[imagem:pji3-man-ethernet1.jpg]] | ||
+ | <br>''Exemplo de uma rede MAN ethernet: os links de acesso podem ser implementados de diferentes formas, tais como links óticos, xDSL ou mesmo diretamente com ethernet. Notar o switch de agregação na borda da rede de acesso, que implanta uma LAN entre os clientes.'' | ||
+ | |||
+ | Duas técnicas elementares existem para isolamento dos clientes: | ||
+ | # '''Uso de VLAN''': cada cliente é associado a uma VLAN única, que pode ser uma VLAN IEEE 802.1q ou algum tipo de VLAN legada implementada no escopo do switch de agregação. | ||
+ | # '''Uso de enlace PPPoE:''' um enlace PPPoE (PPP over Ethernet) é um enlace ponto-a-ponto virtual implementado sobre uma rede ethernet. Ele pode ser usado como uma forma de autorizar o link do cliente e impedir que se comunique diretamente sobre a rede ethernet. | ||
+ | |||
+ | Na prática, essas duas técnicas costumam ser combinadas. Usam-se VLANs para forçar que um cliente consiga se comunicar somente com a infraestrutura do provedor, e PPPoE para criar um enlace individual por cliente. | ||
+ | |||
+ | == PPPoE (PPP over Ethernet) == | ||
+ | |||
+ | * [http://updates.checkpoint.com/fileserver/SOURCE/direct/ID/9326/FILE/Introduction_to_PPPoE.pdf Introdução] | ||
+ | |||
+ | PPPoE define um método para encapsular quadros PPP dentro de quadros Ethernet, e foi definido na [http://www.faqs.org/rfcs/rfc2516.html RFC 2516]. Ele foi criado para facilitar a integração de usuários discados e banda-larga em provedores de acesso (ISP - ''Internet Service Providers''). Além disso, torna mais fácil o controle de acesso, de uso da rede, e contabilização para usuários que a acessam via rede Ethernet. Assim, é possível implantar uma rede em que os usuários, para conseguirem acesso, precisam se autenticar como em um serviço discado. Uma vez obtido o acesso, pode-se também impor limitações de uso de banda de acordo com o usuário. Exemplos de infraestruturas que podem se beneficiar com essa técnica são redes de condomínios e de prédios comerciais. Finalmente, PPPoE é usado como protocolo de enlace em acessos aDSL, GPON e EPON, como ilustrado na figura abaixo. | ||
+ | |||
+ | [[imagem:pji3-Enlace-pppoe.jpg|600px]] | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Quando usado em uma infraestrutura ADSL, uma arquitetura de protocolos de enlace é implementada para fazer os encapsulamentos de PDUs a serem transmitidas. A figura abaixo mostra os protocolos envolvidos nesse uso do PPPoE, com respectivos encapsulamentos. | ||
+ | |||
+ | [[imagem:Pppoe_architecture.gif]] | ||
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+ | |||
+ | Como se pode notar nas figuras, em enlaces PPPoE há dois tipos de equipamentos: | ||
+ | * '''Host:''' o computador ou equipamento que inicia o enlace (esse equipamento é denominado CPE) | ||
+ | * '''Concentrador (AC):''' o equipamento que recebe pedidos de estabelecimento de enlace, e funciona como roteador para os enlace sPPPoE. | ||
+ | |||
+ | Com PPPoE podem-se criar redes de acesso baseada em tecnologia de rede local Ethernet, porém com autenticação, controle de uso de banda e contabilização de equipamentos de usuários. Essa foi uma motivação para a criação desse protocolo para uso por ISP (Internet Service Providers, ou Provedores de Acesso Internet). | ||
+ | |||
+ | === Quadros PPPoE === | ||
+ | |||
+ | As PDUs PPPoE são encapsuladas em quadros Ethernet, usando o ''ethertype'' 8863H (estágio de descoberta) ou 8864H (estágio de sessão). Devido ao cabeçalho PPPoE (6 bytes) combinado ao identificador de protocolo do quadro PPP (2 bytes), a MTU em enlaces PPPoE não pode ser maior que 1492 bytes. O quadro PPP é simplificado, não possuindo as flags delimitadoras e os campos ''Address'', ''Control'' e ''FCS''. A PDU PPPoE é mostrada a seguir: | ||
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+ | |||
+ | [[imagem:Pppoe-pdu.png|800px]] | ||
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+ | === Estabelecimento de sessões PPPoE === | ||
+ | |||
+ | Em um enlace PPPoE um dos nodos é o ''host'' (cliente), e o outro o concentrador de acesso (AC, que tem papel de servidor). O estabelecimento do enlace é iniciado pelo ''host'', que procura um AC e em seguida solicita o início do enlace. Esse procedimento é composto por por dois estágios: | ||
+ | * '''Descoberta (''Discovery''):''' o cliente descobre um concentrador de acesso (AC) para se conectar. Ocorre uma troca de 4 PDUs de controle: | ||
+ | ** ''PADI (PPPoE Active Discovery Indication):'' enviado em broadcast pelo cliente para descobrir os AC. | ||
+ | ** ''PADO (PPPoE Active Discovery Offer):'' resposta enviada por um ou mais AC, contendo seus identificadores e nomes de serviços disponíveis (no âmbito do PPPoE). | ||
+ | ** ''PADR (PPPoE Active Discovery Request):'' enviado pelo cliente para o AC escolhido, requisitando o início de uma sessão. | ||
+ | ** ''PADS (PPPoE Active Discovery Session-Confirmation):'' resposta do AC escolhido.<br><br>[[imagem:Pppoe-discovery.png|300px]]<br><br> | ||
+ | * '''Sessão (''Session''):''' nessa etapa são trocados quadros PPP como no estabelecimento de um enlace PPP usual. A sessão pode ser encerrada com a terminação PPP (i.e., via protocolo LCP), ou com a PDU PPPoE PADT (''PPPoE Active Discovery Terminate''). | ||
+ | |||
+ | =19/11/2019: Redes EPON= | ||
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+ | * [https://www.gta.ufrj.br/grad/07_2/pedro_paulo/index.htm Introdução a EPON] | ||
+ | * [http://www.teleco.com.br/pdfs/tutorialpon.pdf PON: Redes Ópticas de Acesso de Baixo Custo] | ||
+ | * [https://www.cianet.com.br/blog/infraestrutura-e-tecnologia/o-que-e-pon-lan-rede-optica-passiva/ O que é a Rede PON e como funciona sua arquitetura] | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Uma tecnologia para acesso que se popularizou acentuadamente em anos recentes usa fibras óticas para prover serviço de dados para clientes. As redes PON (''Passive Optical Network'') tem sido implantadas de forma crescente por provedores de acesso, proporcionando altas taxas de transmissão (atualmente até 2.5 Gbps) com baixo custo de implantação. Existem dois tipos mais difundidos de redes PON: | ||
+ | * '''GPON:''' os enlaces de dados se baseiam em tecnologia de encapsulamento própria (GEM) que oferece flexibilidade de configuração para os enlaces e bom controle sobre o uso da capacidade da rede. O padrão [https://en.wikipedia.org/wiki/10G-PON XG-PON] é uma atualização do padrão para taxas de até 10 Gbps. | ||
+ | * '''EPON:''' os enlaces de dados se baseiam em Ethernet, com menor custo porém menor controle sobre o uso de recursos da rede. Há uma [https://en.wikipedia.org/wiki/10G-EPON atualização do padrão para 10 Gbps]. | ||
+ | Uma introdução sobre ambas tecnologias pode ser vista [https://www.cianet.com.br/blog/infraestrutura-e-tecnologia/diferenca-gpon-e-epon-em-qual-tecnologia-investir/ neste blog]. | ||
+ | |||
+ | = EPON = | ||
+ | |||
+ | * [https://www.youtube.com/watch?v=Jkd1-M8xk-k Webinar: Soluções em redes GPON e EPON Intelbras] | ||
+ | |||
+ | |||
+ | "Uma rede ótica passiva (PON – Passive Optical Network) trata-se de uma única fibra ótica compartilhada que é divida com o uso de splitters ou divisores óticos, tipicamente de custo acessível. Estes splitters dividem o sinal ótico da fibra em feixes separados, que são por sua vez transportados através de fibras individuais para cada assinante ou usuário final. O uso do termo passivo explica-se porque, entre a conexão do CO e os usuários finais, não há nenhum equipamento eletrônico ativo dentro da rede (a exemplo de um switch). Somente uma conversão ótica-elétrica é necessária em cada ponto de terminação da fibra, basicamente uma no CO e uma no usuário final. Assim, os usuários finais estão ligados via fibras dedicadas até o splitter, e daí compartilham uma única fibra até o CO. | ||
+ | |||
+ | No padrão [https://en.wikipedia.org/wiki/Ethernet_in_the_first_mile IEEE 802.3ah], a rede ótica passiva PON é baseada no Ethernet, ao invés de outras tecnologias de PON baseadas em ATM. Daí ser chamada esta rede de EPON (Ethernet PON)." | ||
+ | |||
+ | (texto extraído [https://www.gta.ufrj.br/grad/07_2/pedro_paulo/index_arquivos/Page337.htm deste tutorial]). | ||
+ | |||
+ | |||
+ | [[imagem:pji3-Epon1.gif]] | ||
+ | <br>''Um exemplo de uma rede EPON'' | ||
+ | |||
+ | == Comunicação em uma rede EPON == | ||
+ | |||
+ | * [https://www.ad-net.com.tw/mpcp-function-in-epon-and-what-its-for/ MPCP em rede EPON] | ||
+ | * [http://www.ieee802.org/linksec/meetings/Sep02/Gaglianello_sec_1_0902.pdf MPCP Overview] | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Uma rede EPON é formada por um equipamento concentrador localizado nas instalações do provedor, denominado OLT (Optical Line Terminator), e vários equipamentos terminais localizados nas dependências dos clientes, denominados ONU (Optical Network Unit). O OLT implanta a rede ótica e coordena as transmissões dos ONU. Além disso, um ONU somente pode se comunicar pela rede ótica se devidamente reconhecido e autorizado pelo OLT. Em uma rede EPON pode haver até 128 ONUs por fibra. | ||
+ | |||
+ | Para operação em modo full-duplex, os sistemas EPON multiplexam os sinais de transmissão da OLT para as ONU’s (downstream) e das ONU’s para a OLT (upstream) usando diferentes comprimentos de onda de luz: 1490nm para os sinais ''downstream'' e 1310nm para os sinais ''upstream'' ([https://www.gta.ufrj.br/grad/07_2/pedro_paulo/index_arquivos/Page434.htm FONTE]). | ||
+ | |||
+ | Como em uma rede EPON a fibra ótica entre OLT e os ONU é compartilhada, as transmissões devem seguir algumas regras. Cabe ao OLT comandar as transmissões. No caso downstream, os quadros transmitidos pelo OLT são recebidos por todos ONU. Cada ONU filtra os quadros recebidos com base em um identificador contido em cada quadro, dessa forma descartando aqueles quadros não destinados a si. No sentido upstream as transmissões ocorrem em modo TDMA, em que cada ONU transmite de acordo com um timeslot concedido pelo OLT (um timeslot possui uma duração e instante inicial). Com esse procedimento, não ocorrem colisões entre transmissões de OLT e ONUs. As figuras a seguir ilustram os casos downstream e upstream. | ||
+ | |||
+ | [[imagem:PJI3-Epon-downstream.jpg|600px]] | ||
+ | <br>''Transmissões em downstream: todos ONU recebem os quadros enviados pelo OLT, e os filtram com base em um identificador contido nos quadros'' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | [[imagem:Epon-upstream.jpg|600px]] | ||
+ | <br>''Transmissões em upstream: cada ONU transmite seus quadros de acordo com seu timeslot concedido pelo OLT'' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | [[imagem:PJI3-Epon-upstream-grant.jpg|600px]] | ||
+ | <br>''Um ciclo de transmissões em upstream: cada ONU transmite seus quadros de acordo com um tempo concedido pelo OLT'' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | O gerenciamento dos ONU e das transmissões upstream em uma rede EPON se faz por meio do protocolo MPCP (Multi-Point Control Protocol), que estende o protocolo MAC e implementa estes serviços: | ||
+ | * Prover referência de tempo para sincronizar ONUs | ||
+ | * Controlar o processo de auto-descoberta de ONUs | ||
+ | * Atribuir largura de banda aos ONUs (limites de tempo de transmissão por ciclo) | ||
+ | |||
+ | No MPCP, cada ONU é identificado com um número único de 16 bits denominado LLID (Logical Link Identification), o qual é gerado dinamicamente pelo MPCP. Esse número é usado pelos ONU para filtrar os quadros recebidos do OLT. Apenas quadros rotulados com o LLID atribuído ao ONU são aceitos. | ||
+ | |||
+ | = Uma introdução a ADSL = | ||
+ | |||
+ | * [http://tele.sj.ifsc.edu.br/~msobral/RCO2/docs/adsl.pdf Uma visão geral sobre aDSL(com alguns detalhes)] | ||
+ | * [http://tele.sj.ifsc.edu.br/~msobral/RCO2/docs/dslam.pdf Uma descrição sobre DSLAM] | ||
+ | * [http://tele.sj.ifsc.edu.br/~msobral/RCO2/docs/dsl-technologies.pdf Outro bom texto sobre ADSL] | ||
+ | * [http://tele.sj.ifsc.edu.br/~msobral/RCO2/docs/gdslarch.pdf Tipos de enlace que se podem criar com ADSL] | ||
+ | * [http://www.kitz.co.uk/adsl/adsl_technology.htm Um guia rápido e bastante explicativo sobre ADSL (principalmente a modulação)] | ||
+ | |||
+ | <!-- [[imagem:Dsl-network.gif]] --> | ||
+ | |||
+ | ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) é uma tecnologia para provimento de enlace de dados para assinantes de linhas telefônicas residenciais. Ao contrário da modems analógicos (ex: [http://en.wikipedia.org/wiki/V.92 V.92]), ADSL não está limitado à largura de banda de canal de voz (~ 4kHz). Com isso, podem-se obter taxas de dados muito superiores, dependendo da versão de ADSL em uso. A tabela abaixo ilustra os vários padrões ADSL existentes e suas características. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | [[imagem:Adsl-taxas.png]] | ||
+ | <br>''Tabela de versões de ADSL e suas características.<br>Obtido em http://en.wikipedia.org/wiki/Asymmetric_digital_subscriber_line#ADSL_standards'' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ADSL consegue obter taxas de dados muito superiores às de modems analógicos (que chegavam no máximo a 56 kbps) porque na verdade não usa um canal de voz. A ideia é usar a fiação telefônica para estabelecer um enlace de dados entre o assinante residencial e a operadora, mas não a rede telefônica em si. Por isso que com ADSL pode-se ter o enlace de dados e falar ao telefone ao mesmo tempo. Para isso, na central onde chega a linha do assinante é feita uma separação entre o sinal de dados e o de voz: o de dados vai para uma rede de dados, e o de voz segue pela infraestrutura de telefonia. Em consequência, é necessário haver uma rede de dados separada da rede telefônica. A figura a seguir ilustra um enlace ADSL para um assinante residencial, evidenciando os componentes da infraestrutura da rede dados. | ||
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+ | [[imagem:Dsl-architecture.png]] | ||
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+ | A separação entre os canais de voz e de dados, feita por um ''filtro passa-baixa'', está destacada na figura abaixo: | ||
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+ | [[imagem:Adsl-model.png]] | ||
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+ | Na infraestrutura ADSL, cabem destacar alguns elementos: | ||
+ | * '''modem ADSL:''' equipamento responsável pela ponta do enlace do lado do assinante, fazendo os encapsulamentos das PDUs dos protocolos envolvidos nesse enlace, e a modulação do sinal digital resultante. | ||
+ | * '''DSLAM (DSL Access Multiplexer):''' multiplexador de acesso ADSL, que recebe as linhas dos assinantes do lado da operadora. Esse componente faz a intermediação entre os assinantes e a rede de dados da operadora. Dentre suas atribuições, destacam-se a modulação do sinal das linhas dos assinantes, a limitação das taxas de ''downstream'' e ''upstream'' de acordo com o contratado pelos assinantes, e as conversões de protocolos de enlace (quando necessárias) para a rede da operadora. No entanto. | ||
+ | * '''splitter:''' filtro que separa os sinais de voz e de dados. São usados tanto do lado do assinante quanto no DSLAM. | ||
+ | * '''AC (concentrador de acesso):''' equipamento que concentra as pontas dos enlaces de dados dos assinantes no lado da rede da operadora. | ||
+ | |||
+ | A parte da infraestrutura ADSL dentro da rede de dados da operadora inclui equipamentos DSLAM (muitos deles), um ou mais AC e as redes de comunicação para interligá-los. Note-se que quem dá acesso de fato à Internet é o AC. A figura abaixo ilustra esses componentes. | ||
+ | |||
+ | [[imagem:Dslam-infra.png]] | ||
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+ | O enlace de dados entre o equipamento do assinante e a rede da operadora pode ser feita de diferentes formas. Esse enlace é visto pelo assinante como seu enlace para a Internet - i.e. ele obtém seu endereço IP fornecido pela operadora. Os tipos de enlace de dados ADSL mais usados são: | ||
+ | * '''PPPoE (PPP over Ethernet):''' cria um enlace ponto-a-ponto com protocolo PPP, cujos quadros são encapsulados em quadros Ethernet. Esta é a forma mais utilizada para assinantes residenciais. | ||
+ | * '''PPPoA (PPP over ATM):''' cria um enlace ponto-a-ponto com protocolo PPP, cujos quadros são encapsulados em mensagens AAL5 da arquitetura ATM. | ||
+ | * '''EoA (Ethernet over ATM):''' cria um enlace Ethernet, cujos quadros são encapsulados em mensagens AAL5 da arquitetura ATM. | ||
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+ | O enlace PPPoE funciona como se tivesse um link ponto-a-ponto entre o roteador ADSL e um concentrador de acesso (AC). Quer dizer, parece que existe um fio ligando diretamente esses dois equipamentos, apesar de na realidade existir toda uma infraestrutura entre os dois. Isso pode ser visualizado na figura abaixo. Em cada ponta desse link PPPoE há um endereço IP usado pelos respectivos equipamentos. | ||
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+ | [[imagem:Enlace-pppoe.png]] | ||
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Edição atual tal como às 17h53min de 22 de fevereiro de 2021
Projeto Integrador III
Professora: Juliana Camilo (juliana.camilo@ifsc.edu.br)
Encontros: 4a feira/19:00, 6a feira/19:00
PPC Curso Técnico Subsequente de Telecomunicações
11/11/2020: Apresentação da disciplina.
Aula 1 |
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Apresentação da disciplinaIntrodução ao problema de estudoA disciplina de Projeto Integrador 3 tem como assunto principal as tecnologias de enlace e rede que podem ser usadas para implantar redes locais e redes de acesso. Além disso, uma introdução à redes WAN faz parte do programa da disciplina.
AtividadeNesta primeira aula o objetivo é descrever as características do serviço a ser oferecido pelo provedor, e pensar na infraestrutura necessária para que seja implantado. Isso inclui investigar o que os provedores que já existem tem oferecido para seus clientes, e que tecnologias eles utilizam. Ao final da aula, deveremos ter:
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13/11/2020: Endereçamento IPv4. Configuração Estática e Dinâmica
Aula 2 |
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Configuração de endereçosO endereço IP de um host pode ser configurado de forma estática ou dinâmica. No primeiro caso, o usuário predefine o endereço IP no próprio equipamento. No segundo, o equipamento usa um protocolo especial de configuração para obter sua configuração de rede.
Configuração estáticaA configuração estática envolve um usuário gravar a configuração de rede de forma persistente na memória do host. Cada tipo de equipamento apresenta um procedimento diferente para armazenar a configuração de rede estática. Por exemplo, em computadores com sistema operacional Linux da família Debian (tais como Debian, Ubuntu, Mint e muitos outros), a configuração de rede fica armazenada no arquivo /etc/network/interfaces: iface eth0 inet static
address 10.1.23.19
netmask 255.255.255.0
gateway 10.1.23.254
router# configure terminal
router(config)# interface e0
router(config-if)# ip address 10.1.23.19 255.255.255.0
router(config-if)# exit
router(config)# ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 10.1.23.254
router(config)# exit
router# write memory
router# write terminal
Building configuration...
Current configuration : 472 bytes
!
version 12.3
!
hostname Router
!
interface Ethernet0
ip address 10.1.23.19 255.255.255.0
!
ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 10.1.23.254
Configuração dinâmicaUm host pode obter suas informações de rede dinamicamente por meio do protocolo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol). Desta forma, não há necessidade de o usuário saber as informações de rede necessárias para configurar corretamente seu equipamento. Isso torna possível também centralizar e automatizar a distribuição de endereços de rede para hosts. Se alguma das informações precisar ser modificada (ex: o roteador default), basta alterá-las no serviço DHCP para que toda a rede seja eventualmente reconfigurada. A maioria dos equipamentos de usuários vem de fábrica com configuração de rede dinâmica. Isso vale para computadores pessoais, em que os sistemas operacionais detectam as interfaces de rede e as configuram com DHCP, smartphones, tablets, câmeras IP, ATA e telefones IP, impressoras, e possivelmente outros equipamentos. Em computadores pessoais com sistemas operacionais Linux da família Debian, uma interface pode ser configurada dinamicamente se for declarada em /etc/network/interfaces desta forma: iface eth0 inet dhcp
Protocolo DHCPDHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) é um protocolo para obtenção automática de configuração de rede, usado por computadores que acessam fisicamente uma rede. Esses computadores são tipicamente máquinas de usuários, que podem usar a rede esporadicamente (ex: usuários ocm seus laptops, com acesso via rede cabeada ou sem-fio), ou mesmo computadores fixos da rede. O principal objetivo do DHCP é fornecer um endereço IP, a máscara de rede, o endereço IP do roteador default e um ou mais endereços de servidores DNS. Assim, um novo computador que acesse a rede pode obter essa configuração sem a intervenção do usuário. Para esse serviço pode haver um ou mais servidores DHCP. Um computador que precise obter sua configuração de rede envia mensagens DHCPDISCOVER em broadcast para o port UDP 67. Um servidor DHCP, ao receber tais mensagens, responde com uma mensagem DHCPOFFER também em broadcast, contendo uma configuração de rede ofertada. O computador então envia novamente em broadcast uma mensagem DHCPREQUEST, requisitando o endereço IP ofertado pelo servidor. Finalmente, o servidor responde com uma mensagem DHCPACK, completando a configuração do computador cliente. Como a configuração tem um tempo de validade (chamado de lease time), o cliente deve periodicamente renová-la junto ao servidor DHCP, para poder continuar usando-a. O diagrama abaixo mostra simplificadamente esse comportamento:
O servidor DHCP identifica cada cliente pelo seu endereço MAC. Assim, o DHCP está fortemente relacionado a redes locais IEEE 802.3 (Ethernet) e IEEE 802.11 (WiFi). Servidor DHCPEm uma rede local em que hosts devem obter sua configuração de rede dinamicamente, deve haver ao menos um servidor DHCP. Esse serviço costuma estar disponibilizado em equipamentos de rede, tais como pontos de acesso sem-fio e roteadores. Por exemplo, o roteador sem-fio TP-Link WDR 4300 oferece esse serviço, que pode ser configurado e ativado por meio de sua interface de gerenciamento.
# tempos de concessão, em segundos
default-lease-time 600;
max-lease-time 7200;
# Algumas opções de uso comum
option subnet-mask 255.255.255.0;
option broadcast-address 192.168.1.255;
option routers 192.168.1.1;
option domain-name-servers 191.36.8.2, 191.36.8.3;
option domain-name "sj.ifsc.edu.br";
# subrede 192.168.1.0/24 com duas faixas de endereços a serem concedidos:
# 192.168.1.100 a 192.168.1.150
# 192.168.1.190 a 192.168.1.240
subnet 192.168.1.0 netmask 255.255.255.0 {
range 192.168.1.100 192.168.2.150;
range 192.168.1.190 192.168.2.240;
}
AtividadeObjetivo
Roteiro 01: configuração de endereçosTomando como base a rede do laboratório mostrada na figura, faça esses procedimentos no papel, e se possível em uma máquina virtual:
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18/11/2020: Roteamento Estático e Dinâmico
Aula 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Subredes IPUma subrede IP é representada por um prefixo de rede e uma máscara. O prefixo são os N bits mais significativos comuns a todos os endereços IP contidos em uma subrede (lembre que um endereço IP tem 32 bits). A máscara informa quantos bits tem o prefixo. A combinação de prefixo de rede e máscara funciona da seguinte forma: Imagine que exista uma subrede contendo os endereços de 192.168.2.0 até 192.168.2.255. Se representarmos esses endereços em binário, podemos ver que os 24 bits mais significativos são os mesmos para todos os endereços:
Encaminhamento IPTodo host é capaz de realizar uma função da camada de rede chamada de encaminhamento IP (IP forwarding). O encaminhamento é feito quando um host recebe um datagrama IP, e precisa decidir o que fazer com ele. O destino do datagrama depende do endereço de destino contido em seu cabeçalho IP.
A tabela de rotas a seguir foi obtida em um computador com sistema operacional Linux. aluno@M1:~$ route -n
Tabela de Roteamento IP do Kernel
Destino Roteador MáscaraGen. Opções Métrica Ref Uso Iface
0.0.0.0 191.36.9.254 0.0.0.0 UG 0 0 0 enp0s25
169.254.0.0 0.0.0.0 255.255.0.0 U 1000 0 0 enp0s25
191.36.9.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 0 0 0 enp0s25
192.168.2.64 191.36.9.1 255.255.255.192 U 0 0 0 enp0s25
Supondo que esse host tenha que encaminhar um datagrama com endereço de destino 8.8.8.8, a busca por uma rota adequada seria esta:
Roteamento estáticoCada host ligado a Internet possui uma tabela de rotas. É pelo conteúdo dessa tabela que ele sabe como transmitir os pacotes para cada destino. Em seu computador, você pode visualizar essa tabela da seguinte forma: # Isto funciona em qualquer *nix que se preze ...
netstat -rn
aluno@M1:~> ifconfig eth1 192.168.10.1 netmask 255.255.255.0
aluno@M1::~> netstat -rn
Kernel IP routing table
Destination Gateway Genmask Flags MSS Window irtt Iface
192.168.10.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 0 0 0 eth1
127.0.0.0 0.0.0.0 255.0.0.0 U 0 0 0 lo
Obs: ao menos próximo roteador ou interface de rede precisam ser especificados.
# adiciona a rota default, que passa pelo roteador 192.168.10.100
route add default gw 192.168.10.100
# este comando tem o mesmo efeito que o anterior ...
route add -net 0.0.0.0/0 gw 192.168.10.100
Roteamento dinâmicoRoteamento dinâmico é definido como a capacidade de roteamento automático por uma rede. No roteamento estático, como visto, as possibilidades de rota são definidas por meio de uma tabela de roteamento fixa definida manualmente. No entanto, no roteamento dinâmico as tabelas de roteamento são construídas automaticamente pelo sistema, e mantidas constantemente atualizadas devido a comunicação entre os roteadores participantes da rede. Sendo assim, uma rede que utilize algum protocolo de roteamento dinâmico é sensível a qualquer mudança de topologia da rede, sendo capaz de adaptar-se rapidamente a um novo padrão de rotas. Em outras palavras, um protocolo de roteamento dinâmico pode ser definido como uma maneira que um roteador fala com seus vizinhos a fim de compartilhar informações sobre rotas disponíveis na rede. A partir da capacidade de auto organização, o roteamento dinâmico deve ser capaz de procurar a melhor rota alternativa para um fluxo de dados, quando determinados roteadores se tornam inacessíveis ou estejam congestionados. O roteamento dinâmico dentro de uma rede pertencente a uma organização é chamado de roteamento interno', e o roteamento entre redes de diferentes oragnizações é denominado roteamento externo. O roteamento externo acontece no núcleo da Internet, e envolve um número muito grande de roteadores e hosts. Um dos protocolos clássicos de roteamento interno é o protocolo RIP. Por apresentar tempo convergência relativamente longo, o RIP se aplica a pequenas redes. Outro protocolo de roteamento interno se chama OSPF, o qual apresenta rápida convergência e é usado em redes maiores. Protocolo RIPO protocolo RIP (Routing Information Protocol) é um protocolo baseado na técnica vetor de distância, pois compartilha tabelas de distâncias entre roteadores vizinhos, para que cada roteador possa atualizar sua tabela de roteamento. O protocolo RIP foi um dos primeiros protocolos de roteamento baseado em vetor de distância aplicado a uma grande variedade de sistemas. O RIP possui as seguintes características principais de funcionamento:
A lógica de funcionamento do RIP é baseada em roteadores ativos, configurados como roteadores que realizam comunicação das rotas aos demais, e roteadores passivos que não disseminam mensagens porém atualizam suas rotas quando recebem informações atualizadas. Um roteador ativo mantém uma tabela de roteamento que possui os identificadores e IPs dos roteadores vizinhos, a rota de acesso, e um número inteiro que representa a distância do roteador até determinada rede. As tabelas são anunciadas para todos os roteadores da rede. O envio das tabelas de roteamento pelos roteadores acontece por broadcast em intervalos de tempo geralmente definidos para 30 segundos. Quando um nó recebe uma informação atualizada de determinado roteador vizinho, substitui sua tabela pela tabela atualizada. Para indicar a distância até uma determinada rede, o protocolo RIP utiliza uma métrica baseada em contagem de saltos, ou seja, quantos roteadores existem entre o roteador de origem e a rede de destino.
Exemplo RIP (De A para F)Neste exemplo um determinado nó A deseja se comunicar com o nó E.
Agora B e C enviam suas tabelas atualizadas para A, E e D respectivamente. Logo A, E, D atualizam suas tabelas e enviam por broadcast para todos os roteadores.
E envia sua tabela atualizada para F, que atualiza sua tabela.
F atualiza sua tabela e envia para todos.
Quando A recebe a tabela atualizada de F, atualiza sua própria tabela. A seguir temos a tabela do A depois da atualização.
AtividadesRoteiro 02: Subredes e roteamento estáticoEstes experimentos devem ser realizados no Netkit2, que deve ser executado na máquina real. Para esquentar: uma rede mais simples:
Praticamente a mesma rede, mas com um roteador a mais:
Roteamento estático entre redes das equipes
Roteamento dinâmico (com o RIP)Baseado no diagrama da Figura, usaremos serviços para rodar os protocolos de roteamento RIP, de tal modo que as tabelas estáticas de roteamento não mais serão necessárias e o sistema se auto recuperará da queda de um único enlace (nesse caso). Em cada roteador o software Quagga é responsável por executar o protocolo de roteamento.
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27/11/2020: Endereçamento IPv6, roteamento estático e dinâmico
Aula 6 |
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Endereços IPv4 têm 32 bits e são capazes de endereçarem até pouco mais de 4 bilhões de hosts, e isso parecia mais do que suficiente quando o protocolo IP foi criado, nos primórdios da Internet. Mas desde os anos 1990, quando se massificou essa rede, constatou-se que os endereços IPv4 se esgotariam num horizonte próximo. Para evitar esse problema, e possibilitar que a Internet continuasse se expandindo (e também por outros motivos), foi criado o protocolo IPv6, cujos endereços têm 128 bits. Essa questão está bem descrita na introdução do livro Laboratório de IPv6: Considerando que a concepção da Internet data da década de 70 e que, de lá para cá, houve uma explosão inesperada do seu uso, o IPv4 mostrou-se inadequado para acompanhar esta evolução.Uma das deficiências mais apontadas do IPv4 foi o espaço de endereçamento baseado num valor inteiro de 32 bits, que é tipicamente representado por quatro octetos em decimal, sendo possível disponibilizar apenas 4.294.967.296 endereços IPV4 diferentes. Para contornar essa deficiência, inúmeras soluções paliativas foram propostas e adotadas, como por exemplo o NAT (Network Address Solution) e o CIDR (Classless InterDomain Routing). Contudo, à medida que novas tecnologias de redes surgiram e o IP continuava sendo um dos protocolos chaves para sua operação, outras deficiências começaram a ser detectadas, especialmente aquelas referentes à segurança e ao suporte a parâmetros de QoS (Quality of Service) e mobilidade. Como consequência, no inicio da década de 90 é publicada a proposta da nova geração do IP (IPng – IP next generation) ou IPv6. Este novo protocolo traz a solução para muitas das deficiências de seu predecessor, o IPv4, incluindo espaço de endereçamento de 128 bits gerando a possibilidade de 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456 endereços disponíveis, suporte a roteamento e segmentação de pacotes na estação origem, suporte a mobilidade e mecanismos de segurança.
Endereço IPV6Um endereço IPV6 possui 128 bits disponíveis para endereçar hosts, possibilitando 340 undecilhões de endereços possíveis. Para se ter uma ideia do que isto representa, se convertêssemos cada IPv6 possível em um cm2, poderíamos envolver toda a superfície do planeta Terra com 7 camadas de endereços.. Adoção no BrasilO Brasil está entre os 10 países com maior adoção de IPv6, segundo o Google:
Adoção no BrasilO Brasil está entre os 10 países com maior adoção de IPv6, segundo o Google:
Tipos de Endereços IPV6
Endereços UnicastLink Local pode ser usado apenas no enlace específico onde a interface está conectada, o endereço link local é atribuído automaticamente utilizando o prefixo FE80::/64. Os 64 bits reservados para a identificação da interface são configurados utilizando o formato IEEE EUI-64. Vale ressaltar que os roteadores não devem encaminhar para outros enlaces, pacotes que possuam como origem ou destino um endereço link-local.
Atualmente, está reservada para atribuição de endereços a faixa 2000::/3 (001), ou seja, 3 primeiros bits utilizados para registros da faixa 2000. Equivalente aos endereços públicos IPv4, o endereço global unicast é globalmente roteável e acessível na Internet IPv6. Ele é constituído por três partes: o prefixo de roteamento global, utilizado para identificar o tamanho do bloco atribuído a uma rede; a identificação da sub-rede, utilizada para identificar um enlace em uma rede; e a identificação da interface, que deve identificar de forma única uma interface dentro de um enlace.Sua estrutura foi projetada para utilizar os 64 bits mais a esquerda para identificação da rede e os 64 bits mais a direita para identificação da interface. Endereço MulticastO IPV6 não possui endereço broadcast, e sim multicast. Endereços multicast são utilizados para identificar grupos de interfaces, sendo que cada interface pode pertencer a mais de um grupo. Os pacotes enviados para esses endereço são entregues a todos as interfaces que compõe o grupo. Seu funcionamento é similar ao do broadcast, dado que um único pacote é enviado a vários hosts, diferenciando-se apenas pelo fato de que no broadcast o pacote é enviado a todos os hosts da rede, sem exceção, enquanto que no multicast apenas um grupo de hosts receberá esse pacote. Endereços UnicastLink Local pode ser usado apenas no enlace específico onde a interface está conectada, o endereço link local é atribuído automaticamente utilizando o prefixo FE80::/64. Os 64 bits reservados para a identificação da interface são configurados utilizando o formato IEEE EUI-64. Vale ressaltar que os roteadores não devem encaminhar para outros enlaces, pacotes que possuam como origem ou destino um endereço link-local.
Atualmente, está reservada para atribuição de endereços a faixa 2000::/3 (001), ou seja, 3 primeiros bits utilizados para registros da faixa 2000. Equivalente aos endereços públicos IPv4, o endereço global unicast é globalmente roteável e acessível na Internet IPv6. Ele é constituído por três partes: o prefixo de roteamento global, utilizado para identificar o tamanho do bloco atribuído a uma rede; a identificação da sub-rede, utilizada para identificar um enlace em uma rede; e a identificação da interface, que deve identificar de forma única uma interface dentro de um enlace.Sua estrutura foi projetada para utilizar os 64 bits mais a esquerda para identificação da rede e os 64 bits mais a direita para identificação da interface. Endereço MulticastO IPV6 não possui endereço broadcast, e sim multicast. Endereços multicast são utilizados para identificar grupos de interfaces, sendo que cada interface pode pertencer a mais de um grupo. Os pacotes enviados para esses endereço são entregues a todos as interfaces que compõe o grupo. Seu funcionamento é similar ao do broadcast, dado que um único pacote é enviado a vários hosts, diferenciando-se apenas pelo fato de que no broadcast o pacote é enviado a todos os hosts da rede, sem exceção, enquanto que no multicast apenas um grupo de hosts receberá esse pacote. Cabeçalho IPV6O cabeçalho IPv6 possui menos informações, quando comparado ao cabeçalho IPv4. Várias informações foram removidas do cabeçalho IPV6, como por exemplo o checksum, considerado uma informação desnecessária uma vez que o controle de erro é atribuído às camadas inferiores. Os campos presentes no cabeçalho IPV6 são definidos a seguir:
Auto-configuração de endereços
SLAACCom SLAAC, um host IPv6 tem a capacidade de auto-configurar seu endereço em uma subrede. Com isso, facilita-se a configuração de rede de um equipamento, pois torna-se desnecessário obter e definir manualmente seu endereço IPv6, além de outras informações tais como máscara de rede, gateway e servidores DNS. No entanto, isso depende de o gateway (ou algum outro equipamento) fornecer essas informações de configuração para os hosts em sua(s) subrede(s). Isso não é novidade, pois em redes IPv4 o serviço DHCP tem exatamente esse papel. Porém, com o surgimento de IPv6, a auto-configuração se tornou uma função do próprio protocolo de rede. Em redes IPv4, DHCP é um serviço que depende de softwares específicos tanto nos hosts (clientes) quanto no servidor. A auto-configuração IPv6 é muito mais simples, e não demanda nenhum software adicional nos hosts. A autoconfiguração do IPV6, chamada stateless, é o procedimento com que os hosts de uma subrede podem definir seus próprios endereços, baseados em informações locais (ex: endereço MAC de sua interfaces de rede Ethernet, Wifi, ou Bluetooth), e em informações recebidas de roteadores, denominadas mensagens Router Advertisement. Sendo assim, o roteador é o responsável por fornecer informações sobre a SUBrede para que seja possível que hosts que nela residem se autoconfigurem. A autoconfiguração do IPV6 é chamada de stateless porque o roteador não mantém nenhum registro sobre a configuração de cada host. Isso é consequência da capacidade dos hosts se autoconfigurarem apenas sabendo a subrede a que pertencem. No entanto, para que seja possível a autoconfiguração em redes baseadas em IPV6, duas etapas de configuração devem ser aplicadas, sendo elas:
Protocolo NDP (Neighbor Discovery Protocol)A auto-configuração IPv6 depende do protocolo NDP, implementado usando mensagens ICMPv6. De acordo com este tutorial do site IPv6.br, no caso da autoconfiguração de hosts, o protocolo fornece suporte para a realização de três funcionalidades:
DHCPv6
default-lease-time 600;
max-lease-time 7200;
subnet6 2001:db8::/64 {
range6 2001:db8::1234 2001:db8::abcd;
option dhcp6.name-servers 2001:db8::abc;
}
AtividadesObjetivos:
Para realizar estas atividades serão necessários alguns comandos:
Roteiro 03: Endereçamento IPv6, roteamento estático e dinâmicoParte 1: Endereços IPv6
Parte 2: Experimento com uma rede IPv6Estes experimentos devem ser realizados no Netkit2, que deve ser executado na máquina real.
Praticamente a mesma rede, mas com um roteador a mais:
Parte 3: SLAAC
Parte 4: DHCPv6
Parte 5: Roteamento dinâmico com IPV6 (com o RIPNG)Baseado no diagrama da Figura, usaremos serviços para rodar os protocolos de roteamento RIP a partir do Quagga, de tal modo que as tabelas estáticas de roteamento não mais serão necessárias e o sistema se auto recuperará da queda de um único enlace (nesse caso).
O arquivo redeipv6.conf possui a configuração da rede a ser executada com o Netkit2. Observe que nessa configuração já está inserida a definição dos default gateway de cada pc.
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09/12/2020: Introdução a LAN
Aula 9 |
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Referências bibliográficas:
Distinção entre WAN, MAN e LANExiste uma classificação de redes de computadores segundo sua abrangência. Segundo ela, as redes podem ser divididas em:
Redes Locais (LAN)Obs: obtido de Data and Computer Communications, livro de William Stallings, 8a edição:
Algumas tecnologias
TopologiasUma topologia de rede diz respeito a como os equipamentos estão interligados. No caso da rede local, a topologia tem forte influência sobre seu funcionamento e sobre a tecnologia adotada. Dependendo de como se desenha a rede, diferentes mecanismos de comunicação são necessários (em particular o que se chama de acesso ao meio). A eficiência da rede (aproveitamento da capacidade de canal, vazão) e sua escalabilidade (quantidade de computadores e equipamentos que podem se comunicar com qualidade aceitável) também possuem relação com a topologia. A tabela abaixo exemplifica topologias conhecidas de redes locais. Exemplos de uso de redes locaisExemplos de redes locais são fáceis de apresentar. Praticamente toda rede que interconecta computadores de usuários é uma rede local - mesmo no caso de redes sem-fio, um caso especial a ser estudado mais a frente. A rede do laboratório de Redes de Computadores, onde temos nossas aulas, é uma rede local. Os demais computadores do câmpus formam outra rede local. Quando em casa se instala um roteador ADSL e se conectam a ele um ou mais computadores, cria-se também uma rede local. Portanto, redes locais são bastante comuns e largamente utilizadas. Ainda assim, cabem alguns outros exemplos de possíveis redes locais, mostrados abaixo:
Arquitetura IEEE 802
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:
Padrão IEEE 802.3 (Ethernet)
Desenho usado por Bob Metcalfe, um dos criadores da Ethernet, para apresentação em uma conferência em 1976.
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16/12/2020: Interligação de LANs
Aula 11 |
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Interligação de LANs (norma IEEE802.1D)
Um switch aprende dinamicamente os endereços MAC acessíveis em cada porta usando a técnica bridge learning. Para saber quais os endereços MAC conectados a cada porta, um switch registra em uma tabela o endereço MAC de origem de um quadro recebido por uma porta. Essa tabela de endereços MAC associa cada endereço aprendido à porta por onde o respectivo quadro foi recebido. Por exemplo, imagine 2 computadores, A e B, conectados a um mesmo switch porém em portas distintas como mostrado na Figura a seguir: Se o computador A deseja se comunicar com B, A envia um pacote para B. Entretanto, o switch não saberá em um primeiro momento a qual porta o PC B esta conectado. Sendo assim, o switch registra em sua tabela que o computador A está conectado na porta 1 ...
Segmentação de LANsA segmentação física é uma solução aparentemente simples e direta. Cada subrede deve ser composta de uma estrutura exclusiva, contendo seus switches e cabeamentos. No entanto, para adotar esse tipo de segmentação, algumas modificações precisarão ser feitas na infraestrutura de rede existente. Observe a estrutura física da rede do campus:
Segmentação com VLANsSe a reestruturação pudesse ser efetuada com mínimas modificações na estrutura física (incluindo cabeamento), a implantação da nova rede seria mais rápida e menos custosa. Para isso ser possível, seria necessário que a infraestrutura de rede existente tivesse a capacidade de agrupar portas de switches, separando-as em segmentos lógicos. Quer dizer, deveria ser possível criar redes locais virtuais, como mostrado na seguinte figura: No exemplo acima, três redes locais virtuais (VLAN) foram implantadas nos switches. Cada rede local virtual é composta por um certo número de computadores, que podem estar conectados a diferentes switches. Assim, uma rede local pode ter uma estrutura lógica diferente da estrutura física (a forma como seus computadores estão fisicamente interligados). Uma facilidade como essa funcionaria, de certa forma, como um patch panel virtual, que seria implementado diretamente nos switches. Redes locais virtuais são técnicas para implantar duas ou mais redes locais Padrão IEEE 802.1qOs primeiros switches com suporte a VLANs as implementavam de forma legada (i.e. não seguiam um padrão da indústria). Isso impedia que houvesse interoperabilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes. Logo a IEEE formou um grupo de trabalho para propor mecanismos padronizados para implantar VLANs, dando origem ao padrão IEEE 802.1q. Os fabricantes de equipamentos de rede o adataram largamente, suplantando outras tecnologias legadas (ex: ISL e VTP da Cisco). Com isso, VLANs IEEE 802.1q podem ser criadas usando switches de fabricantes diferentes. Atualmente, a implantação de VLANs depende de switches com suporte ao padrão IEEE 802.1q. Assim, verifique quais dos switches do laboratório possuem suporte a VLAN:
Uma VLAN é identificada por um número, chamado VID (VLAN Identifier), sendo que a VLAN com VID 1 é considerada a VLAN default (configuração de fábrica). Em um switch com suporte a VLAN IEEE 802.1q, cada porta possui um (ou mais ...) VID, o que define a que VLAN pertence. Assim, para criar uma VLAN, devem-se modificar os VID das portas de switches que dela farão parte. Por exemplo, em uma pequena rede com duas VLANs as portas dos switches podem estar configuradas da seguinte forma: Além do VID, a configuração da porta de um switch deve especificar o modo de operação da VLAN:
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03/02/2021: LANs e caminhos fechados
Aula 14 |
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O problema dos ciclos (caminhos fechados) em uma rede local ethernetA interligação acidental de duas portas de um switch cria um ciclo na rede local (loop). Mas isso pode ser feito também de forma intencional, pois em LANs grandes pode ser desejável ter enlaces redundantes, para evitar que a interrupção de um enlace isole parte da rede. A existência de interligações alternativas portanto é algo que pode ocorrer em uma rede local, seja por acidente ou com a finalidade de conferir algum grau de tolerância a falhas na infraestrutura da rede. Um caso em que uma rede possui um ciclo intencionalmente colocado pode ser visto na LAN abaixo:
A configuração STP em switches deve observar o seguinte:
ExercíciosObjetivos
IntroduçãoA interligação de segmentos de uma LAN pode conter enlaces redundantes para prover tolerância a falhas: caso um enlace falhe, o que isolaria uma parte da rede, outro enlace pode ser usado para manter a conectividade. No entanto a existência de enlaces redundantes cria loops (“circuitos fechados”) na rede, e isto causa sérios problemas:
Parte 1: O efeito de caminhos fechados
Parte 2: O protocolo STP como possível soluçãoCom base na rede da parte 1 deste roteiro, faça o seguinte:
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05/02/2021: LANS e agregação de enlaces
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Nessa rede, o switch central (core) integra os demais switches da rede. Todo o tráfego entre os dois lados da rede passa por esse switch, e pelos enlaces entre ele e os switches periféricos. Se um desses enlaces se romper, os dois lados da LAN ficam isolados. E, se muitos computadores estiverem se comunicando dois lados da rede, o switch core se torna um gargalo, limitando a taxa de transmissão máxima que pode ser obtida. Agregação de enlaceA agregação de enlace (LA - Link Agregation), descrita no padrão IEEE 802.1ax, possibilita que dois ou mais enlaces físicos entre dois switches operem como um único enlace lógico (chamado de LAG - Link Aggregation Group). O enlace agregado tem uma capacidade que equivale à soma das capacidades dos enlace físicos. Assim, um enlace agregado composto por dois enlaces físicos de 1 Gbps tem capacidade de 2 Gbps. Além disso, se um dos enlace físicos se romper, o enlace agregado continua a funcionar, porém com capacidade reduzida. A figura a seguir ilustra um enlace agregado formado por três enlaces físicos entre dois switches.
LACP: Link Aggregation Control ProtocolO protocolo LACP negocia enlaces agregados entre switches, contanto que estas condições estejam satisfeitas:
Estas figuras (obtidas nesta página) ilustram o estabelecimento de um enlace agregado com LACP, uma vez que as condições acima estejam satisfeitas:
AtividadesObjetivos
Parte 1: Enlace agregado estaticamenteEm um enlace agregado estaticamente, as portas envolvidas são predefinidas e somente podem ser alteradas manualmente. Com isso, se um enlace físico falhar, parte dos quadros transmitidos será perdida. Os experimentos seguintes buscam verificar o comportamento de um enlace agregado estaticamente.
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17/02/2021: Redes sem-fio IEEE 802.11
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O provedor de acesso fornece um serviço de dados para seus clientes. Os links de acesso dos clientes têm características diferentes daqueles usados na rede local interna do provedor:
Uma característica comum às tecnologias de acesso citadas, seja acesso discado, ADSL ou similares (como ISDN, que não se popularizou), é estarem no domínio de operadoras de dados. Particularmente no Brasil, essas empresas nasceram dentro das grandes empresas de telecomunicações existentes, tais como as companhias telefônicas. Assim, o atendimento de clientes era feito usando infraestrutura e serviços dessas empresas, cabendo aos provedores de acesso complementarem os serviços de dados. As tecnologias envolvidas, e a rede de distribuição para atender os clientes, envolviam grandes investimentos. Porém as novas tecnologias de dados que vêm sendo adotadas têm menor custo, e podem ser implantadas em escalas menores e ainda serem viáveis. Isso tem viabilizado o surgimento de uma nova geração de provedores de acesso que não mais dependem da infraestrutura dessas grandes operadoras para implantarem links de dados para seus clientes. Tecnologias de acessoNo escopo de um provedor metropolitano, algumas tecnologias de acesso têm se apresentado recentemente:
Redes sem-fio IEEE 802.11O padrão IEEE 802.11 define uma tecnologia de redes locais sem-fio (WLAN), mais conhecida como WiFi. Esse tipo de rede tem como algumas características o baixo custo dos dispositivos, facilidade de utilização e boas taxas de transmissão em curtas distâncias (algumas dezenas de metros). Apesar de ter sido projetada para redes locais, essa tecnologia também tem sido usada para redes de média distância (alguns km). No entanto, para distâncias mais longas o padrão precisa ser adaptado para que funcione de forma eficiente. Para entender como criar enlaces de acesso sem-fio de alguns quilômetros usando esse tipo de tecnologia, é necessário entender seus princípios de funcionamento. Estrutura de uma rede IEEE 802.11Uma rede local sem-fio (WLAN) IEEE 802.11 é implantada por um equipamento especial chamado de ponto de acesso (AP - Access Point). Esse equipamento estabelece uma WLAN, de forma que computadores, smartphones, PDAs, laptops, tablets (e outros dispositivos possíveis) possam se comunicar pelo canal sem-fio. Esses dispositivos são denominados estações sem-fio (WSTA - Wireless Station), e se comunicam usando o AP como intermediário. Isso significa que todas as transmissões na WLAN são intermediadas pelo AP: ou estão indo para o AP, ou vindo dele. Além disso, uma WSTA somente pode se comunicar na WLAN se primeiro se associar ao AP - isto é, se registrar no AP, sujeitando-se a um procedimento de autenticação. Do ponto de vista da organização da WLAN, a menor estrutura possível é o BSS (Basic Service Set), mostrado na figura abaixo. Um BSS é formado por um AP e as WSTA a ele associadas. O BSS possui um nome, identificado pela sigla SSID (Service Set Identifier), que deve ser definido pelo gerente de rede. O BSS opera em um único canal, porém as transmissões podem ocorrer com diferentes taxas de bits (cada quadro pode ser transmitido com uma taxa, dependendo da qualidade do canal sem-fio conforme medida pela WSTA que faz a transmissão). Por fim, apenas uma transmissão pode ocorrer a cada vez, o que implica o uso de um protocolo de acesso ao meio (MAC) pelas WSTA e AP.
Quando se usa modulação com largura de 40 MHz, apenas um canal pode ser usado (o canal 6), pois toda a banda disponível é usada. No caso da banda de 5 GHz há muito mais canais, e as combinações de canais não-sobrepostos se torna mais complexa: Sistemas de DistribuiçãoUma típica WLAN com estrutura distribuída pode ser criada explorando-se o conceito de Sistema de Distribuição (DS - Distribution System). Em uma rede IEEE 802.11, vários BSS podem se combinar para formarem um ESS (Extended Station Set). A interligação entre os AP deve ser feita em nível de enlace, seja por uma rede cabeada ou por links sem-fio. Essa interligação é denominada Sistema de Distribuição, estando exemplificada na figura abaixo:
Deve-se levar em conta que a qualidade do sinal tem relação com a modulação usada (e da taxa de dados), assim o limiar entre um BSS e outro depende de como as estações medem a qualidade de sinal e quais as taxas mínimas aceitáveis. A figura abaixo ilustra possíveis alcances para diferentes taxas de dados.
Considerações sobre implantação de redes locais sem-fioVimos que, para ampliar a cobertura de uma rede sem-fio IEEE 802.11, usam-se vários AP interligados em um Sistema de Distribuição (DS). Uma das maiores dificuldades ao se implantar uma rede sem-fio é determinar:
Existem algumas técnicas para estimar a cobertura de cada AP, dados sua potência de transmissão e as características do ambiente em que se encontra (paredes, portas, outros obstáculos). Um bom resumo pode ser encontrado no TCC "Estudo e projeto para o provimento seguro de uma infra-estrutura de rede sem fio 802.11" de Cesar Henrique Prescher, defendido em 2009. Mas mesmo que se apliquem as recomendações ali descritas, ao final será necessário fazer uma verificação em campo da rede implantada. Para isso deve-se medir a qualidade de sinal sistematicamente na área de cobertura, para identificar regiões de sombra (sem cobertura ou com cobertura deficiente) e de sobreposição de sinais de APs. Tal tarefa implica o uso de ferramentas apropriadas e da aplicação de medições metódicas.
O MAC CSMA/CAO protocolo MAC usado em redes IEEE 802.11 se chama CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). Ele foi desenhado para prover um acesso justo e equitativo entre as WSTA, de forma que em média todas tenhas as mesmas oportunidades de acesso ao meio (entenda isso por "oportunidades de transmitirem seus quadros"). Além disso, em seu projeto foram incluídos cuidados para quue colisões sejam difíceis de ocorrer, mas isso não impede que elas aconteçam. Os procedimentos e cuidados do MAC para evitar e tratar colisões apresentam um certo custo (overhead), que impedem que as WSTA aproveitem plenamente a capacidade do canal sem-fio. Consequentemente, a vazão pela rede sem-fio que pode de fato ser obtida é menor que a taxa de bits nominal (por exemplo, com IEEE 802.11g e taxa de 54 Mbps, efetivamente pode se obter no máximo em torno de 29 MBps). O protocolo CSMA/CA implementa um acesso ao meio visando reduzir a chance de colisões. Numa rede sem-fio como essa, não é possível detectar colisões, portanto uma vez iniciada uma transmissão não pode ser interrompida. A detecção de colisões, e de outros erros que impeçam um quadro de ser recebido pelo destinatário, se faz indiretamente com quadros de reconhecimento (ACK). Cada quadro transmitido deve ser reconhecido pelo destinatário, como mostrado abaixo, para que a transmissão seja considerada com sucesso.
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24/02/2021: Redes de Acesso para clientes (PTMP, PPPoE, EPON, ADSL)
Aula 20 |
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Acesso sem-fio PTMPUm provedor pode oferecer links de dados sem-fio para seus clientes. Isso tem a vantagem de não exigir infraestrutura entre provedor e cliente (cabos e equipamentos de interconexão), apresentando baixo custo de implantação. O atendimento de múltiplos clientes pelo provedor se apresenta como um cenário denominado PTMP (Ponto Multiponto, ou Point To MultiPoint no original em inglês). No provedor reside a estação base, e cada cliente usa um roteador sem-fio para estabelecer seu enlace. Esse cenário PTMP pode ser visto na seguinte figura.
Enlaces de acesso Ethernet e PPPoEUma rede MAN envolve a infraestrutura e tecnologias para interligar equipamentos de comunicação no alcance típico de uma cidade. Essa grande rede pode ser decomposta em três partes:
A figura a seguir exemplifica uma rede MAN com esses níveis de organização:
Enlaces de acesso sobre ethernetEm uma rede MAN baseada em ethernet, cada usuário final (ou cliente) tem um link de acesso que se apresenta como uma porta de switch. Sendo assim, para esse cliente o link de acesso tem características de um link para uma rede local (LAN). Como nesse tipo de link todos os equipamentos que residem numa mesma LAN podem se comunicar diretamente um com o outro, deve haver uma forma de isolar os clientes, para que se comuniquem somente com o roteador do provedor. A figura a seguir ilustra de forma simplificada como os links para os clientes são fornecidos, e porque, se cuidados não forem tomados, eles podem se comunicar diretamente.
Duas técnicas elementares existem para isolamento dos clientes:
Na prática, essas duas técnicas costumam ser combinadas. Usam-se VLANs para forçar que um cliente consiga se comunicar somente com a infraestrutura do provedor, e PPPoE para criar um enlace individual por cliente. PPPoE (PPP over Ethernet)PPPoE define um método para encapsular quadros PPP dentro de quadros Ethernet, e foi definido na RFC 2516. Ele foi criado para facilitar a integração de usuários discados e banda-larga em provedores de acesso (ISP - Internet Service Providers). Além disso, torna mais fácil o controle de acesso, de uso da rede, e contabilização para usuários que a acessam via rede Ethernet. Assim, é possível implantar uma rede em que os usuários, para conseguirem acesso, precisam se autenticar como em um serviço discado. Uma vez obtido o acesso, pode-se também impor limitações de uso de banda de acordo com o usuário. Exemplos de infraestruturas que podem se beneficiar com essa técnica são redes de condomínios e de prédios comerciais. Finalmente, PPPoE é usado como protocolo de enlace em acessos aDSL, GPON e EPON, como ilustrado na figura abaixo.
Com PPPoE podem-se criar redes de acesso baseada em tecnologia de rede local Ethernet, porém com autenticação, controle de uso de banda e contabilização de equipamentos de usuários. Essa foi uma motivação para a criação desse protocolo para uso por ISP (Internet Service Providers, ou Provedores de Acesso Internet). Quadros PPPoEAs PDUs PPPoE são encapsuladas em quadros Ethernet, usando o ethertype 8863H (estágio de descoberta) ou 8864H (estágio de sessão). Devido ao cabeçalho PPPoE (6 bytes) combinado ao identificador de protocolo do quadro PPP (2 bytes), a MTU em enlaces PPPoE não pode ser maior que 1492 bytes. O quadro PPP é simplificado, não possuindo as flags delimitadoras e os campos Address, Control e FCS. A PDU PPPoE é mostrada a seguir: Estabelecimento de sessões PPPoEEm um enlace PPPoE um dos nodos é o host (cliente), e o outro o concentrador de acesso (AC, que tem papel de servidor). O estabelecimento do enlace é iniciado pelo host, que procura um AC e em seguida solicita o início do enlace. Esse procedimento é composto por por dois estágios:
19/11/2019: Redes EPON
Uma introdução sobre ambas tecnologias pode ser vista neste blog. EPON
No padrão IEEE 802.3ah, a rede ótica passiva PON é baseada no Ethernet, ao invés de outras tecnologias de PON baseadas em ATM. Daí ser chamada esta rede de EPON (Ethernet PON)." (texto extraído deste tutorial). Comunicação em uma rede EPON
Para operação em modo full-duplex, os sistemas EPON multiplexam os sinais de transmissão da OLT para as ONU’s (downstream) e das ONU’s para a OLT (upstream) usando diferentes comprimentos de onda de luz: 1490nm para os sinais downstream e 1310nm para os sinais upstream (FONTE). Como em uma rede EPON a fibra ótica entre OLT e os ONU é compartilhada, as transmissões devem seguir algumas regras. Cabe ao OLT comandar as transmissões. No caso downstream, os quadros transmitidos pelo OLT são recebidos por todos ONU. Cada ONU filtra os quadros recebidos com base em um identificador contido em cada quadro, dessa forma descartando aqueles quadros não destinados a si. No sentido upstream as transmissões ocorrem em modo TDMA, em que cada ONU transmite de acordo com um timeslot concedido pelo OLT (um timeslot possui uma duração e instante inicial). Com esse procedimento, não ocorrem colisões entre transmissões de OLT e ONUs. As figuras a seguir ilustram os casos downstream e upstream.
No MPCP, cada ONU é identificado com um número único de 16 bits denominado LLID (Logical Link Identification), o qual é gerado dinamicamente pelo MPCP. Esse número é usado pelos ONU para filtrar os quadros recebidos do OLT. Apenas quadros rotulados com o LLID atribuído ao ONU são aceitos. Uma introdução a ADSL
Na infraestrutura ADSL, cabem destacar alguns elementos:
A parte da infraestrutura ADSL dentro da rede de dados da operadora inclui equipamentos DSLAM (muitos deles), um ou mais AC e as redes de comunicação para interligá-los. Note-se que quem dá acesso de fato à Internet é o AC. A figura abaixo ilustra esses componentes. O enlace de dados entre o equipamento do assinante e a rede da operadora pode ser feita de diferentes formas. Esse enlace é visto pelo assinante como seu enlace para a Internet - i.e. ele obtém seu endereço IP fornecido pela operadora. Os tipos de enlace de dados ADSL mais usados são:
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