IER60808: Conectividade local

O foco da disciplina IER é a infra-estrutura de rede, representada pelas camadas Internet e Acesso a rede no modelo TCP/IP (ou camadas Rede e inferiores no modelo OSI). Ela diz respeito ao conjunto de equipamentos, links, protocolos e tecnologias empregados para construir uma rede de computadores em curtas ou longas distâncias. Essa rede pode ser assim usada para que sistemas finais consigam se comunicar, tais como computadores de usuários, servidores, smartphones, e quaisquer outros dispositivos que produzam ou consumam dados. Desta forma, em IER iremos conhecer tecnologias envolvidas nessas camadas inferiores, bem como selecionar e configurar equipamentos, e interligá-los para construir redes de computadores.

Em nosso estudo, iniciaremos com tecnologias de comunicação para distâncias curtas. Tais tecnologias possibilitam que dispositivos se comuniquem diretamente, com distâncias até algumas dezenas de metros (em alguns casos, até poucas centenas de metros). Elas possibilitam conectar dispositivos em diferentes cenários, tais como:

• Computadores, laptops, celulares, tablets e smartTV em uma rede residencial
• Caixas de som, teclados, headsets e mouses (entre outros), associando-os a computadores, celulares ou laptops
• Sensores para monitoramento ambiental e de máquinas em plantas industriais
• Sensores e atuadores em hortas convencionais e hidropônicas
• Celulares e automóveis ou motocicletas
• Pagamento por proximidade com cartões ou celulares

Como existem diferentes cenários e aplicações em que se necessita de conectividade, definiram-se algumas categorias de tecnologias:

• LAN (Local Area Network): as redes locais se constituem de tecnologias capazes de interligar dispositivos em distâncias de até poucas centenas de metros, e por meio guiado (com cabos). Atualmente, a tecnologia dominante é Ethernet (padrão IEEE 802.3)
• WLAN (Wireless Local Area Network): as redes locais sem-fio são capazes de interligar dispositivos distantes até algumas dezenas de metros. A tecnologia dominante é Wifi (padrão IEEE802.11)
• WPAN (Wireless Personal Area Network): as redes sem-fio pessoais interligam dispositivos até alguns metros, ou poucas dezenas de metros. Duas tecnologias conhecidas nessa categoria são Bluetooth (padrão IEEE 802.15.3) e Zigbee (que inclui o padrão IEEE 802.15.4)
• NFC (Near Field Communication): os links com proximidade proporcionam comunicação entre dispositivos em distâncias muito pequenas, até de poucos centímetros. São usadas em passaportes, cartões de pagamento e celulares.

Existem outras categorias, porém estas são as mais difundidas para conectividade local. Um sumário de outras classificações, obtido na Wikipedia, é resumido nesta figura:

Tipos de rede de acordo com escopo espacial. FONTE: Wikipedia

Redes locais (LAN)

Obs: obtido de Data and Computer Communications, livro de William Stallings, 8a edição:

As LAN são usadas em larga escala para interligar computadores, servidores, roteadores, e outros equipamentos de comunicação. Elas proporcionam a possibilidade de transmitir dados com alta taxa de transmissão (atualmente, 1 Gbps ou mais), com baixo custo e alta qualidade de transmissão. No entanto, as distâncias entre equipamentos são da ordem de até algumas dezenas de metros (ou algumas poucas centenas de metros, dependendo do tipo de cabeamento). Um conjunto de padrões definido para LANs especifica uma faixa de taxas de dados e abrange uma variedade de topologias e meios de transmissão, sendo IEEE 802.3 e correlatos os padrões mais difundidos.

Algumas tecnologias para LAN são:

• Ethernet (IEEE 802.3): largamente utilizada hoje em dia, na prática domina amplamente o cenário de redes locais.
• 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.
• Fiber Channel: criado especificamente para interligar servidores em redes de armazenamento de dados (SAN).
• Infiniband: criado para interligar equipamentos para fins de computação de alto-desempenho. Mantém-se na ativa nesse nicho específico.

Exemplos de uso de redes locais

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 GPON ou 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:

Uma LAN com vários computadores em uma LAN party

Uma LAN típica com um link para Internet

Um data center com servidores interligados por uma ou mais LAN

Um tipo de LAN especial para interligar servidores de armazenamento (storage), chamada SAN (Storage Area Network)

Topologias

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.

Topologia	Exemplo	Tecnologias
Estrela		Ethernet (IEEE 802.3) com hubs e switches
Anel		Token-ring (IEEE 802.5), FDDI, Ethernet (mas com um detalhe a ver depois ...)
Barramento (em desuso)		Ethernet (IEEE 802.3)
Árvore		Ethernet (IEEE 802.3) com hubs e switches
Árvore-gorda (Fat-tree)		Ethernet (IEEE 802.3) com hubs e switches

Atividade

Objetivos:

• Conhecer os equipamentos típicos de uma rede local Ethernet
• Estimar o desempenho de uma LAN Ethernet comutada (com switch)

A rede de teste para o experimento será composta de computadores ligados a um switch Ethernet a 100 Mbps em modos half ou full-duplex. Serão sintetizados tráfegos intensos, de forma a poder comparar o desempenho das transmissões nos dois casos.

• Manual do usuário do switch
• Manual da interface de linha de comando (CLI) do switch

Parte 1: ativos de rede

1. Observe a placa de rede de seu computador e sua conexão à rede por meio do cabo TP. Os computadores do laboratório estão conectados ao switch Intelbras, que reside no rack central. O número da porta onde está conectado seu computador na bancada corresponde à porta do switch. Desconecte o cabo do seu computador e observe o status da porta correspondente no switch (o status é informado por um led, que aceso significa que há equipamento ativo conectado àquela porta). Questão: como será que o switch sabe que um equipamento foi conectado a uma porta ? Ver esta explicação ...
2. Veja que informações o Linux provê a respeito de seu adaptador Ethernet. Usando os comandos administrativos do Linux, descubra:
   • o modelo do adaptador, e seu endereço MAC: ver comandos lspci, lsusb e ifconfig.
   • seu modo de operação (velocidade, modo duplex, se o enlace está ativo): ver comando ethtool
   • suas estatísticas de operação (quadros transmitidos e recebidos, colisões e erros em geral): ver comandos netstat e ifconfig.
     
     Após obter essas informações, experimente desconectar o cabo da placa de rede e repetir a execução dos comandos.
3. Use um switch TP-Link 8 portas para conectar seu computador à rede do laboratório.
4. Repita os ítens 1 e 2, para conferir se houve alguma modificação na interface ethernet do seu computador.

Parte 2: switch ethernet

O objetivo deste experimento é medir a vazão possível de ser obtida na rede ethernet do laboratório. Além disso, deseja-se verificar a relação entre essa vazão e a quantidade de computadores que efetuam transmissões simultaneamente.

1. Mantendo os computadores conectados ao switch do laboratório, cada aluno deve escolher um colega para fazer uma medição de vazão na rede (throughput).
   • Inicialmente apenas um par de aluno deve realizar a mediação de vazão.
   • Um dos alunos deve identificar o endereço IP da interface ethernet de seu computador, e informá-lo ao outro colega envolvido na medição.
   • Esse mesmo aluno deve executar este programa:

     iperf -s
     

   • Outro aluno deve executar o mesmo programa, porém em modo cliente desta forma:

     iperf -c IP_do_outro_computador -i 5 -t 30
     

   • Quando o programa cliente terminar, observe os valores reportados quanto à vazão obtida.
   • A medição deve ser repetida, porém com todos os alunos envolvidos a realizarem-na simultaneamente. Que diferença houve no resultado da vazão ?