PJI11103: Enlaces WAN

Próxima aula

O provedor de acesso possui links (enlaces) para a Internet, intermediando a comunicação entre esses links e os seus clientes. Os links para Internet podem ser vistos como links de acesso a uma rede de longa distância e amplo alcance, também denominada WAN. Essa rede WAN é implantada e explorada por empresas chamadas de operadoras de longa distância (carriers). Como exemplos, existem na região as operadoras Embratel, Oi, Eletronet e GVT, que fornecem serviços de dados com diversas tecnologias.

Há uma variedade de tecnologias de acesso para WAN, dentre elas:

• PPP/HDLC sobre links seriais (LPCD, antigamente chamados de SLDD)
• Frame Relay (também sobre LPCD)
• MPLS (Multi Protocol Label Switching) sobre fibra-ótica
• Metro/Carrier Ethernet sobre fibra-ótica

Um típico enlace WAN sobre LPCD, do ponto de vista de uma rede de computadores de usuário, é representado por um enlace ponto-a-ponto, como pode ser visto na figura abaixo. Nele, dois roteadores se comunicam por um meio físico dedicado, usando um protocolo de enlace especializado.

Atividade

1. Pesquise quais empresas existem capazes de fornecerem enlaces de longa distância para acesso a Internet
2. Para cada empresa, identifique os tipos de enlaces oferecidos:
   • Taxas de bits suportadas
   • Tipo de rede física (fibra ? par metálico ? sem fio ? coaxial ? ... ?)
   • Tecnologia de enlace (ethernet ? outras ?)
   • Preço (ao menos uma estimativa)
3. O provedor precisa de ao menos dois enlaces WAN, por questão de segurança. Considerando as capacidades dos enlaces a serem contratados e seus custos mensais, calcule (ou estime):
   • Quantos clientes serão necessários para pagar esses custos ?
   • Quanto seria razoável cobrar de cada cliente ? Dica: revise quanto é cobrado por provedores similares na região (ver a primeira aula !).

Linhas seriais do tipo LPCD

• Uma introdução a LPCD

Linhas LPCD são tipicamente implantadas com meio de transmissão do tipo par metálico. Suas taxas vão tipicamente até 23 Mbps, dependendo da tecnologia de codificação. Atualmente, a tecnologia mais usada se chama SHDSL, provendo taxas de 64 kbps até 23 Mbps (em incrementos de 64 kbps). Mas no passado não muito distante, como por exemplo nos anos 90, esse tipo de linha de comunicação podia apresentar taxas ainda menores, como 9600 bps ou mesmo 1200 bps. Atualmente esse tipo de enlace físico vem caindo em desuso, apesar de ainda haver uma quantidade significativa de contratações do serviço (em especial no interior).

Enlaces ponto-a-ponto por linhas seriais

Dois protocolos de enlace ponto-a-ponto muito utilizados são:

• PPP (Point-to-Point Protocol): proposto no início dos anos 90 pelo IETF (ver RFC 1661), e amplamente utilizado desde então. Este protocolo não faz controle de erros nem de fluxo, portanto se quadros sofrerem erros de transmissão serão sumariamente descartados no receptor. Originalmente muito usado em acesso discado, recentemente sua aplicação se concentra em enlaces por linhas dedicadas, enlaces sem-fio 3G, e uma versão modificada para acesso doméstico ADSL (PPPoE). Ver mais detalhes na seção 11.7 do livro Comunicação de Dados e Redes de Computadores, de Behrouz Forouzan.
• HDLC (High-level Data Link Control): criado nos anos 70, foi largamente utilizado em enlaces ponto-a-ponto, porém atualmente foi substituído pelo PPP na maioria dos cenários em que era usado. Este protocolo faz controle de erros e de fluxo usando um mecanismo ARQ do tipo Go-Back-N (com janela de tamanho 7 ou 127). Ainda se aplica a enlaces ponto-a-ponto em linhas dedicadas, enlaces por satélite e aplicações específicas (ver por exemplo este artigo sobre seu uso missões espaciais em um artigo da Nasa). Ver mais detalhes na seção 11.6 do livro Comunicação de Dados e Redes de Computadores, de Behrouz Forouzan.

A figura a seguir mostra a arquitetura do protocolo de enlace PPP como exemplo de simplicidade e modularidade:

O comportamento de um protocolo pode ser descrito de algumas formas, sendo usual utilizar diagramas. A figura a seguir apresenta o comportamento em alto-nível do protocolo PPP:

Ambos protocolos possuem o mesmo formato de quadro. Na verdade, o PPP copiou o formato de quadro do HDLC, apesar de não utilizar os campos Address e Control. O campo Flag, que tem o valor predefinido $7E_{H}$, serve para delimitar quadros, assim o receptor sabe quando inicia e termina cada quadro.

Quadro PPP ou HDLC (tamanho de campos dados em bytes)

Esses protocolos foram criados para uso com comunicação serial síncrona (ver capítulo 4, seção 4.3 do livro Comunicação de Dados e Redes de Computadores, de Behrouz Forouzan). O PPP funciona também com comunicação serial assíncrona.

Atividade

Realize estes experimentos sobre links ponto a ponto.

A parte física do enlace ponto-a-ponto

• Ver livro online: Broadband Local Loops for High-Speed Internet Access

A parte física do enlace ponto-a-ponto, usualmente chamada de circuito, corresponde à camada física da arquitetura de redes. Ele se compõe de equipamentos e técnicas criados para fazer a transmissão de dados por meio de sinais elétricos.

Dentro da arquitetura de redes estudada em Redes na 2a fase, a camada física se situa no nível mais baixo. Ela deve portanto transmitir de fato a informação através de um meio de transmissão, a qual deve ser representada por algum sinal. Essa representação implica algum tipo de modulação ou codificação.

Serviços da camada física

(Adaptado do livro "Comunicação de Dados e Redes de Computadores, 3a ed.", de Berhouz Forouzan)

Modems e Interfaces Digitais

• Uma introdução a modems e interfaces digitais
• Tutorial sobre SHDSL

Modems são equipamentos que realizam a modulação ou codificação de um sinal digital, de forma a pode ser transmitido apropriadamente por um meio de transmissão. Essa transformação é nececssária para que a informação possa viajar por uma distância maior no meio, e possa ser recuperada pelo equipamento receptor (o modem do outro lado da linha).

Em nossa aula serão usados modems síncronos SHDSL, que ainda são encontrados em instalações reais. O modelo dos modems do laboratório operam com um meio de transmissão composto por um ou dois pares metálicos padrão telefonia. Com eles podem-se estabelecer enlaces físicos com taxas de 64 kbps a 2.304 Mbps (com incrementos de 64 kbps), usando uma codificação do tipo TC-PAM. Se forem usados quatro pares metálicos, a taxa máxima chega a 4.608 Mbps. Modems SHDSL versão BIS podem obter taxas ainda maiores (5.6 Mbps ou 11.2 Mbps), como por exemplo alguns modems Datacom. Alguns modelos chegam a 22.8 Mbps, como este da Datacom.

Para instalar modems síncronos, deve-se observar o seguinte:

• Qual modem é a fonte de sincronismo: um dos modems deve gerar o sincronismo do circuito. Assim, um dos modems deve usar seu relógio interno, e o outro deve usar relógio regenerado.
• Qual modem comanda (inicia) o circuito: o modem que inicia o circuito toma a inciativa de estabelecer o enlace físico com o modem remoto. Esse modem dever ser configurado como NTU (Network Termination Unit), e o modem remoto deve ser LTU (Local Termination Unit).
• A taxa de bits a ser usada: ambos modems devem ser configurados com a mesma taxa de bits.
• A quantidade de pares metálicos: ambos modems devem usar a mesma quantidade de pares metálicos.
• O tipo de interface digital: a interface digital comunica modem e DTE (ex: roteador), portanto o mdoem deve ser configurado para usar a mesma interface digital que o DTE. Por exemplo, uma escolha bastante comum é a interface V.35. Outro tipo de interface digital é G.703, usada em centrais telefônicas (PBX) com linhas do tipo E1.

Existem muitas interfaces digitais normatizadas e proprietárias, que foram criadas para serem usadas com diferentes meios de transmissão e equipamentos. A turma de IER de 2011-1 fez uma pesquisa sobre interfaces digitais usadas em equipamentos de comunicação, incluindo suas características. O resultado dessa investigação pode ser vista em:

Catálogo de interfaces digitais

Atividade

Uma rede com enlaces WAN feitos com modems digitais SHDSL.

• Roteiro da experiência

Enlaces com fibra ótica

No caso de fibra ótica, a tecnologia de enlace de uso corrente se baseia em Ethernet. Disso vem sua denominação Metro Ethernet (Ethernet para MAN). Metro Ethernet não é a única opção, porém é o mais comum de se encontrar.

MPLS

• MPLS no Linux
• Texto sobre PLS em português (UFRJ)
• MPLS Related Notes
• MPLS Tutorial
• MPLS na Wikipedia
• RFC 3031: MPLS Architecture
• MPLS Label Stack Encoding

Documentação sobre os experimentos com MPLS (tirados do projeto MPLS-Linux)

Exemplos de serviços baseados em MPLS em operadoras:

• GVT
• Embratel
• Oi

MPLS é uma tecnologia de transporte para redes de telecomunicações de alto desempenho que encaminha e transporta dados de um nó da rede a outro. Isso se faz por meio de links virtuais entre nós distantes um do outro, semelhante ao conceito de circuitos virtuais. Diversos protocolos podem ser transportados por MPLS, tais como IP e Ethernet (note que o primeiro é um protocolo de rede, mas o segundo é um "protocolo" de enlace). Assim, MPLS se apresenta como uma tecnologia de transporte de dados em redes de longa distância, como ilustrado na figura abaixo.

Simplificadamente, um cabeçalho (shim header) é adicionado a cada PDU a ser transportada pela rede MPLS. O rótulo contém um número identificador chamado de rótulo (label, e similar ao VCI visto em circuitos virtuais), junto com alguns bits de controle. Os roteadores dentro da rede MPLS encaminham essas PDUs com base somente no conteúdo desse cabeçalho, comutando-os de acordo com os valores de rótulo (label switching). Note que MPLS não faz roteamento, e sim comutação de circuitos virtuais: os circuitos devem ser previamente estabelecidos para que o encaminhamento de PDUs entre origem e destino possa ser realizada. Desta forma, MPLS parece ser um protocolo que fica entre as camadas de rede e de enlace, como mostrado na figura a seguir.

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O cabeçalho MPLS possui apenas 32 bits, como mostrado abaixo. O valor de rótulo ocupa 20 bits, o que possibilita pouco mais de 1 milhão de diferentes rótulos ($2^{20}$). Há um campo Time To Live (ou simplesmente TTL) com 8 bits, com mesma finalidade que o campo homônimo existente em PDUS IPv4: evitar que um erro de configuração em um roteador faça com que PDUs fiquem circulando eternamente em um loop na rede. O valor desse campo TTL é decrementado por cada roteador que encaminhe a PDU e, se o valor chegar a 0, a PDU é descartada. O campo Exp com 3 bits foi pensado para codificar a classe de serviço da PDU, a qual pode ser usada por mecanismos de qualidade de serviço (QoS) existentes na rede. Por exemplo, o valor de Exp pode ser usado como prioridade da PDU em um determinado roteador dentro da rede MPLS. Por fim, o bit S (bottom of stack) informa se esse é o último cabeçalho MPLS na PDU, uma vez que podem-se empilhar dois ou mais desses cabeçalhos.

A terminologia MPLS possui nomes próprios para diversos componentes da arquitetura. Como ocorre em outras tecnologias, existem conceitos conhecidos apresentados porém com nomes diferentes. A tabela abaixo descreve alguns termos importantes existentes no MPLS:

Termo	Descrição
LSP	Label Switching Path, o análogo a circuito virtual.
LSR	Label Switching Router, ou roteador capaz de comutar PDUs MPLS.
LER	Label Edge Router, ou roteador que faz a interface entre a rede MPLS (onde se encaminham PDUs exclusivamente com base nos rótulos), e a rede externa (onde não se usa MPLS). A rede externa pode ser qualquer outra rede, como IPv4, IPv6 ou mesmo LAN Ethernet. Note que LER é um tipo especial de LSR, e podem ser denominados também como LSR ingress (LSR de entrada na rede MPLS) e LSR egress (LSR de saída da rede MPLS).
LFIB	Label Forwarding Information Base, ou o conjunto de informações existentes nos LSR usadas para fazer o encaminhamento das PDUS MPLS. Pode ser entendida como uma estrutura análoga à tabela de comutação de circuitos virtuais.

Usando os termos acima, podem-se descrever redes MPLS demonstrativas como mostrado a seguir. Na primeira rede há dois LSP: um vai do Host X ao Host Z e está identificado com PDUS em amarelo, e outro vai de Host X ao Host Y e tem PDUs em azul. O número dentro de cada PDU informa os valores de rótulo usados ao longo dos LSP. Assim como em circuitos virtuais em geral (e como em Frame Relay e ATM), os valores de rótulo podem ser modificados por cada roteador que os comute.

Conceitos básicos sobre comutação de rótulos

A comutação de rótulos feita nos LSR é muito parecida com comutação de circuitos virtuais. Ao receber uma PDU MPLS, um LSR decide o que fazer com ela com base no número do rótulo e na interface de rede de onde ela foi recebida. Porém há um detalhe específico do MPLS: uma ou mais interfaces podem ser associadas em um labelspace MPLS, sendo esse labelspace usado para identificar de onde foi recebida uma PDU. Desta forma, um LSR na verdade decide o que fazer com uma PDU com base em seu rótulo e no seu labelspace. Dentro do LSR essa operação se chama ILM (Input Label Mapping).

ILM é a função que identifica uma PDU recebida e mapeia seu rótulo para um labelspace

Um caso especial trata de PDUs que entram na rede MPLS. Por exemplo, uma PDU IPv4, originada de uma rede externa, deve ser transportada pela rede MPLS. Nesse caso, o LER (roteador de borda) deve associar essa PDU a um rótulo MPLS e encaminhá-lo pela rede MPLS. A identificação de uma PDU externa à rede MPLS, com base nas informações dessa PDU, se chama FEC (Forwarding Equivalence Class).

Uma vez identificada uma PDU recebida, o LSR deve encaminhá-la de acordo com instruções predefinidas em sua LFIB. Dentro de sua LFIB essas instruções são chamadas de NHLFE (Next-Hop Label Forwarding Entry), e contêm a operação MPLS a ser realizada e a interface de saída por onde encaminhar a PDU. As operações MPLS possíveis estão descritas na tabela abaixo:

Operação	Descrição
SWAP	Troca o valor de rótulo. Essa operação deve ser usada para comutação dentro da rede MPLS. Mesmo quando o novo valor de rótulo for idêntico ao anterior essa operação deve ser realizada.
PUSH	Adiciona um cabeçalho MPLS com um determinado valor de rótulo. Essa operação deve ser usada principalmente nos LER, quando uma PDU entra na rede MPLS.
POP	Remove o cabeçalho MPLS. Essa operação deve ser usada principalmente nos LER, quando uma PDU sai da rede MPLS.

A comutação fica completa ao se juntarem o mapeamento de entrada (ILM) com as NHLFE, no caso de comutação dentro da rede MPLS. No caso de entrada de PDUs na rede MPLS, a operação se chama FTN (Fec-To-Nhlfe), que nada mais é que regras para associar os rótulos MPLS a essas PDUS. No exemplo da PDU IPv4, pode-se usar o endereço IPv4 de destino dessa PDU para escolher que rótulo MPLS deve ser usado. Isso está sumarizado na figura abaixo.

Atividade

Realize este experimento.