PJI11103: Introdução a LAN

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

Distinção entre WAN, MAN e LAN

• Aplicações de cada um desses tipos de rede
• Tecnologias envolvidas
• "Backbones" da Internet Brasileira:

Algumas redes WAN:

• Brasil em 1996
• RNP ao longo dos anos, 2016
• Embratel WAN por satélite (StarOne), serviços de dados
• Eletronet Mapa Eletronet

Uma rede MAN MetroEthernet em Florianópolis (diagrama antigo .. tal rede não deve mais ser assim !)

Redes Locais (LAN)

Características e pontos-chaves

Obs: obtido de STALLINGS, 2005:

• 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.
• Switches formam os blocos de montagem básicos da maioria das LANs (não muito tempo atrás hubs também eram usados).

Algumas tecnologias

• 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: criada especificamente para interligar servidores em redes de armazenamento de dados (SAN).
• Infiniband: especificamente criada para interligar equipamentos para fins de computação de alto-desempenho. Mantém-se na ativa nesse nicho específico.

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 (em desuso)		Token-ring (IEEE 802.5), FDDI
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

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 1, onde temos nossas aulas, é uma rede local. Os demais computadores da escola 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 extremamente comuns e largamente utilizadas. Ainda assim, cabem alguns outros exemplos de possíveis redes locais, mostrados abaixo:

Uma LAN típica com um link para Internet

Uma rede MAN baseada em Ethernet (MetroEthernet)

Uma LAN que integra servidores em um datacenter

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

Atividade

Realizar este experimento.

Arquitetura IEEE 802

A arquitetura IEEE 802 define um conjunto de normas e tecnologias no escopo das camadas física (PHY) e de enlace. A camada de enlace é dividida em duas subcamadas:

• LLC (Logical Link Control): o equivalente a um protocolo de enlace de fato, porém na prática de uso restrito (pouco utilizada).
• MAC (Medium Access Control): um protocolo de acesso ao meio de transmissão, que depende do tipo de meio físico e tecnologia de comunicação. Esse tipo de protocolo é necessário quando o meio de transmissão é compartilhado.

Alguns padrões conhecidos (lista completa):

• IEEE 802.3 e variações: conhecidos como LAN Ethernet
• IEEE 802.1: tecnologias para interligação de LANs
• IEEE 802.11 e variações: conhecidos como WLAN (redes locais sem-fio), o que inclui WiFi
• IEEE 802.15: padrões para WPAN (redes pessoais sem-fio), incluindo Bluetooth

Protocolo de acesso ao meio (MAC)

Parte da camada de enlace na arquitetura IEEE 802, 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.

Quadro ethernet

• 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 Ethenet).

• 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 não é mais necessário nas LAN ethernet atuais, que operam em modo full-duplex !

Fluxograma para o acesso ao meio com CSMA/CD.

O acesso ao meio com CSMA/CD 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.

As colisões e esperas (backoffs) impedem que esse protocolo de acesso ao meio aproveite totalmente a capacidade do meio de transmissão. No entanto, 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.

Padrão IEEE 802.3 (Ethernet)

Desenho usado por Bob Metcalfe, um dos criadores da Ethernet, para apresentação em uma conferência em 1976.

• Elementos de uma rede Ethernet atual:
  • 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.

Uma LAN com switches

... mas no início redes Ethernet não eram assim ! Leia o material de referência para ver como eram essas redes num passado relativamente próximo.

Atividade

Realizar este experimento.