Mudanças entre as edições de "PJI3 20202"

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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:
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* A quantidade de pontos de acesso é muito maior do que na rede local interna
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* Taxas de bits devem poder ser limitadas tanto para upstream quanto downstream
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* As distâncias entre equipamentos do provedor e os clientes são maiores, podendo chegar a alguns quilômetros
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* 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
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* Os custos para implantação e operação desses links são significativos, devido às distâncias e tecnologias envolvidas
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[[imagem:pji3-Rede-acesso.jpg|400px]]
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<br>''A rede de acesso dos clientes''
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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.
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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.
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= Tecnologias de acesso =
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No escopo de um provedor metropolitano, algumas tecnologias de acesso têm se apresentado recentemente:
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* 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]:
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** [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].
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** [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)
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* [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
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* [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
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* [https://en.wikipedia.org/wiki/Metro_Ethernet MetroEthernet]: disponibiliza enlaces Ethernet adaptados para longas distâncias
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* [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)
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[[imagem:pji3-Tecnologias-acesso.jpg]]
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<br>''Tecnologias de acesso (obtido desta [https://leandrodriguesilva.wordpress.com/temas-sugeridos/tecnologias-de-acesso/ fonte])''
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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.
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= Redes sem-fio IEEE 802.11 =
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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.
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= Estrutura de uma rede IEEE 802.11 =
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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.
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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.
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[[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:
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* [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).
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[[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]]
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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.
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[[imagem:80211-ranges-rates.png|400px]]<br>
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''Taxas em função da distância do AP (exemplo, pois depende das condições do ambiente e dos equipamentos)''
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== Considerações sobre implantação de redes locais sem-fio ==
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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:
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* quantos AP são necessários
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* onde devem ser instalados
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* qual o canal e potência de transmissão a serem usados em cada AP.
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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.
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* [https://www.kismetwireless.net/ Kismet: uma ferramenta para análise de redes sem-fio com foco em segurança]
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* [http://www.passmark.com/products/wirelessmonitor.htm Wireless Monitor (muita informação adicional)]
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* [http://www.passmark.com/products/metageek-wi-spy.htm WiSpy: um dispositivo para medição de sinal]
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* [http://www.metageek.net/products/inssider/ inSSIDer: outro Wifi Scanner]
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= O MAC CSMA/CA =
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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).
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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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[[Imagem:Wlan-ack.png|300px]]<br>
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''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.
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[[Imagem:Wlan-backoff.png|400px]]<br>
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''Backoff para retransmissões sucessivas''
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Resumidamente, o protocolo MAC usa basicamente dois mecanismos principais para fazer o acesso ao meio:
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* Antes de uma transmissão, verifica-se se o canal está livre. Caso não esteja, deve-se primeiro aguardar que fique livre.
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* 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.
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* 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.
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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 ...).
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[[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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Edição das 10h29min de 17 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

Apresentação da disciplina

Introdução ao problema de estudo

A 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.


A aplicação dos conceitos se dará com a execução de um projeto, que é o tema central da disciplina. O projeto deve tornar possível usar e experimentar boa parte das técnicas e tecnologias estudadas. Sendo assim, o projeto escolhido foi: um provedor de acesso metropolitano. Tal provedor deve prover acessos tanto cabeados quanto sem-fio, além de oferecer hotspots WiFi em lugares estratégicos para seus clientes. A rede do provedor deve se integrar à Internet por meio de links WAN contratados de operadoras, tais como Embratel, Oi e GVT. Um conjunto de tecnologias serão necessárias para implantar um provedor com essas características, e por isso precisarão ser estudadas com bom nível de detalhe ao longo da disciplina.

Atividade

Nesta 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:

  • A descrição do produto oferecido pelo provedor, incluindo planos de acesso com suas características
  • Uma estimativa das tecnologias que podem ser utilizadas

13/11/2020: Endereçamento IPv4. Configuração Estática e Dinâmica

Aula 2


Como visto em Redes de Computadores e Projeto 2, computadores e equipamentos na Internet (chamados de hosts) precisam ter um identificador único e que seja válido globalmente. Os endereços IP, definidos pelo protocolo da Internet (IP - Internet Protocol) são números de 32 bits que desempenham o papel de identificadores globais. Cada um desses endereços é comumente representado em uma notação decimal, com um número entre 0 e 255 para cada 8 bits. como mostrado na figura a seguir. Com isso, é possível em tese endereçar até hosts na Internet, o que equivale a pouco mais de 4 bilhões de endereços.

PJI3-Ip1.jpg
Um endereço IP apresentado em notação decimal e em binário

Configuração de endereços

O 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.


Um conjunto de informações são necessárias para que um host consiga efetivamente se comunicar em rede, as quais não se limitam ao endereço IP. Essas informações são:

  • Endereço IP e máscara de rede: um host precisa de um endereço para que possa se comunicar com outros hosts. A máscara de rede informa o tamanho da subrede IP em que ele se encontra (e ocm isso pode-se saber quais endereços IP fazem parte dessa subrede).
  • Rota default (padrão): para se comunicar com hosts de outras subredes, é preciso enviar os pacotes para um roteador que saiba encaminhá-los a seus destinos. O roteador default (ou padrão) é um roteador para quem se destinam todos esses pacotes. Tecnicamente ele corresponde à rota para o destino 0.0.0.0/0.
  • Endereço IP do servidor DNS: usuários costumam endereçar hosts e servidores por seus nomes de domínio, e não por seus endereços IP. Isso é muito mais fácil de memorizar do que os endereços numéricos. Nomes de domínio são análogos a nomes de assinantes em um catálogo telefônico. No entanto, as aplicações precisam dos endereços IP para se comunicarem. O servidor DNS faz a tradução de nome de domínio para endereço IP, e é usado pelas aplicações transparentemente (isso é, você não percebe que isso ocorre). Assim, as aplicações se comunicam com o servidor DNS para resolver nomes de domínio e obter seus respectivos endereços IP. O endereço desse servidor deve ser configurado em cada host, para que se possam traduzir nomes de domínio.

Configuração estática

A 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


Em roteadores sem-fio TP-Link WDR 4300, essa configuração de rede pode ser gravada por meio de uma interface web para gerenciamento do equipamento:

PJI3-Tplink-lan.jpg
Menu Network->LAN da interface web do roteador sem-fio TP-Link WDR4300


E, em roteadores Cisco, a configuração estática é feita por meio de comandos na CLI (Command Line Interface), os quais ficam gravados na memória permanente do roteador. 

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 dinâmica

Um 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


A configuração de interfaces com DHCP no arquivo /etc/network/interfaces não é o procedimento usual, ao menos não em versões desktop desses sistemas operacionais. Nesses casos, o mais comum é que tal configuração seja feita por um daemon chamado network-manager. Esse daemon implementa um serviço de configuração de rede automática para o computador, e tenta configurar automaticamente todas as interfaces de rede que não foram configuradas em /etc/network/interfaces.

Protocolo DHCP

DHCP (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:

Dhcp-diag.gif



Abaixo segue um diagrama de estados detalhado do DHCP, mostrando todas as possíveis transições do protocolo:

Dhcpfsm.png

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 DHCP

Em 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.

PJI3-Dhcp-tplink.jpg
Configuração do serviço DHCP na interface web do roteador TP-Link WDR4300


Podem existir mais de um servidor DHCP em uma mesma rede local, porém há que ter um cuidado. As faixas de endereços concedidas por diferentes servidores não podem se sobrepor. Assim, se um servidor DHCP oferece endereços entre 192.168.1.20 e 192.168.1.100, um outro servidor DHCP pode oferecer endereços entre 192.168.1.110 e 192.168.1.200, mas não entre 192.168.1.90 e 192.168.1.150.


Servidores DHCP como esse costumam ser limitados. Com eles se consegue tão somente definir a faixa de endereços IP a ser concedida, o tempo de concessão, o servidor DNS e o roteador default. Porém há muitas outras possibilidades no serviço DHCP, tais como:

  • Vincular um endereço IP a um host específico, com base em seu endereço MAC.
  • Informar o nome do domínio DNS e o nome do host
  • Informar os endereços de uma ou mais impressoras
  • Indicar um arquivo de boot a ser usado pelo host
  • ...e muitas outras opções !


O uso de um servidor DHCP completamente funcional demanda um programa especial a ser executado em um computador. O software ISC DHCP Server oferece todas as opções DHCP, além de ser altamente configurável. Ele pode ser instalado e executado em um computador com sistemas operacionais Linux, BSD, Solaris, entre outros da família Unix. Esse servidor DHCP é configurado por meio de um arquivo de configuração, cuja localização depende de como o software foi instalado. Em sistemas Ubuntu, em que o servidor DHCP pode ser instalado a partir de um pacote de software chamado isc-dhcp-server, esse arquivo está em /etc/dhcp/dhcpd.conf. Um exemplo simples desse arquivo está a seguir: 

# 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;
}

Atividade

Objetivo

  • Explorar o uso de endereçamento IPv4 em redes locais

Roteiro 01: configuração de endereços

PJI3-Lab3-1.jpg
Rede dos experimentos

Tomando como base a rede do laboratório mostrada na figura, faça esses procedimentos no papel, e se possível em uma máquina virtual:

  1. Configure manualmente seu computador para que use um endereço IP da subrede 172.18.20.128/25.
  2. Sabendo que o roteador do laboratório possui endereço 172.18.20.129, e os servidores DNS do IFSC são 191.36.8.2 e 191.36.8.3, como ficaria a configuração do arquivo de rede para que os computadores consigam acessar a Internet?
  3. Agora configure seu computador para que obtenha seu endereço IP dinamicamente. Use o arquivo /etc/network/interfaces para esse propósito
  4. Identifique o endereço IP obtido, a rota default e os servidores DNS
  5. Investigue como a interface obtém sua configuração de rede:
    1. Desconfigure sua interface de rede com este comando: 
      sudo ifdown -a
    2. Execute o wireshark, ativando a captura de datagramas UDP
    3. Reative sua interface de rede: 
      sudo ifup -a
    4. Identifique as mensagens do protocolo DHCP no wireshark, comparando-as com este diagrama.

18/11/2020: Roteamento Estático e Dinâmico

Aula 3

Subredes IP

Uma 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:


Pji-prefixo1.png


A máscara de rede tem a forma de um endereço IP, porém com bits 1 na parte correspondente ao prefixo, e 0 no resto. Assim, para o exemplo acima a máscara de rede é 255.255.255.0. Outra forma de representar a máscara é simplesmente informar o tamanho em bits do prefixo, e no exemplo a máscara seria 24. Juntando o prefixo e a máscara, a subrede pode ser representada de uma destas duas formas:

  • 192.168.2.0/255.255.255.0
  • 192.168.2.0/24


Agora imagine que o prefixo tenha 28 bits, como mostrado nesta figura:


Pji-prefixo2.png


Por ter um prefixo mais longo, o tamanho dessa subrede é menor. Isso significa que ela contém menos endereços IP, tanto que o primeiro endereço é 192.168.2.0 e o último é 192.168.2.15. Essa subrede poderia ser representada por:

  • 192.168.2.0/255.255.255.240
  • 192.168.2.0/28


Aproveitando esse exemplo, pode-se mostrar uma outra subrede que, apesar de não parecer, é diferente da anterior:


Pji-prefixo3.png


Essa outra subrede contém endereços entre 192.168.2.16 e 192.168.2.31. Essa subrede poderia ser representada por:

  • 192.168.2.16/255.255.255.240
  • 192.168.2.16/28

Encaminhamento IP

Todo 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.

  1. Se o endereço IP for o do próprio host: o conteúdo do datagrama é desencapsulado e entregue à camada superior.
  2. Se o endereço IP NÃO for o do próprio host: a tabela de rotas do host é consultada para buscar uma rota que satisfaça o endereço de destino. Caso ela exista, o datagrama é transmitido para o próximo roteador indicado nessa rota.


Uma rota serve para informar como se chega a um determinado destino. Um destino pode ser um único endereço IP, ou uma subrede (que contém um conjunto de endereços IP). Para que um pacote IP chegue a um destino, deve-se transmiti-lo para o próximo roteador em direção a esse destino. Esse próximo roteador também deve conhecer uma rota para tal destino, repetindo o mesmo procedimento. Ao menos duas informações compõem cada rota:

  • O destino, que é expressado como uma subrede: Uma subrede é representada por um prefixo de rede e uma máscara.
  • O próximo roteador, expressado por um endereço IP: o endereço IP do próximo roteador (também chamado de gateway, que significa portal em inglês), o qual deve pertencer à mesma subrede do equipamento que o especifica em uma rota.


No caso em que o endereço de destino não for o do próprio host, esse endereço é comparado com cada rota existente na tabela de rotas. Rotas com máscaras de rede maiores são testadas primeiro (o tamanho de uma máscara é definido pela quantidade de bits 1 que ela possui), pois são rotas para subredes menores e, portanto, mais específicas. Se nenhuma rota servir, o datagrama é silenciosamente descartado.

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:

  1. Rota para 192.168.2.64/26: ao aplicar a máscara /26 (255.255.255.192) ao endereço de destino 8.8.8.8, obtêm-se o prefixo 8.8.8.0. Como ele é diferente de 192.168.2.64, esta rota não serve.
  2. Rota para 191.36.9.0/24: ao aplicar a máscara /24 ao endereço de destino 8.8.8.8, obtêm-se o prefixo 8.8.8.0. Como ele é diferente de 191.36.9.0, esta rota não serve.
  3. Rota para 169.254.0.0/16: ao aplicar a máscara /16 ao endereço de destino 8.8.8.8, obtêm-se o prefixo 8.8.0.0. Como ele é diferente de 169.254.0.0, esta rota não serve.
  4. Rota para 0.0.0.0/0: ao aplicar a máscara /0 ao endereço de destino 8.8.8.8, obtêm-se o prefixo 0.0.0.0. Como ele é igual a 0.0.0.0 (prefixo da rota), esta rota será usada.


Se outro datagrama tiver endereço de destino 191.36.9.140, a busca pela rota seria:

  1. Rota para 192.168.2.64/26: ao aplicar a máscara /26 ao endereço de destino 191.36.9.140, obtêm-se o prefixo 191.36.9.128. Como ele é diferente de 192.168.2.64, esta rota não serve.
  2. Rota para 191.36.9.0/24: ao aplicar a máscara /24 ao endereço de destino 191.36.9.140, obtêm-se o prefixo 191.36.9.0. Como ele é igual a 191.36.9.0 (prefixo da rota), esta rota será usada.

Roteamento estático

Cada 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


Ao se configurar uma interface de rede, cria-se uma rota automática para a subrede diretamente acessível via aquela interface. Isto se chama roteamento mínimo. Por exemplo, se uma interface de rede foi configurada com o endereço IP 192.168.10.1/24, sua tabela de rotas pode se apresentar assim: 

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


Rotas arbitrárias podem ser adicionadas manualmente a essa tabela. Uma rota possui estas informações:

  • Subrede de destino: isso se compõe de um prefixo de rede e uma máscara
  • Próximo roteador: o endereço IP do próximo roteador (opcional)
  • Interface de rede: a interface de rede por onde o datagrama deve ser transmitido (opcional)
  • Métrica: um número que informa o custo da rota (opcional .. usado por protocolos de roteamento dinâmico)

Obs: ao menos próximo roteador ou interface de rede precisam ser especificados.


Em sistemas Linux, rotas estáticas podem ser criadas com o comando route. A seguir mostram-se alguns exemplos de criação de rotas:

  • Rota para uma subrede de destino através de um próximo roteador: 
    # route add -net prefixo/mascara gw IP_roteador
route add -net 192.168.10.0/24 gw 191.36.9.254
  • Rota para um host específico através de um próximo roteador: 
    # route add -host IP_host gw IP_roteador
route add -host 192.168.10.5 gw 191.36.9.100
  • Rota para um host específico através de uma interface de rede: nesse caso, imagine que exista uma subrede que contém o IP do host, porém esse host específico está conectado a outra interface de rede.
    # route add -host IP_host gw IP_roteador
route add -host 192.168.10.5 dev eth1


A rota default, por ser corriqueira, pode ser criada com uma palavra-chave especial no comando route. Essa rota tem o seguinte significado: se o destino não estiver em minha própria subrede, e nenhuma outra rota específica existir para a subrede onde se encontra, então repasse o datagrama para o roteador indicado. O comando route pode ser usado assim: 

# adiciona a rota default, que passa pelo roteador 192.168.10.100
route add default gw 192.168.10.100


Outra forma de adicionar essa rota é: 

# este comando tem o mesmo efeito que o anterior ...
route add -net 0.0.0.0/0 gw 192.168.10.100


Em roteadores Cisco, os exemplos sobre rotas estáticas implicariam estes comandos:

  • Rota para uma subrede de destino através de um próximo roteador: 
    ip route 192.0.10.0/24 191.36.9.254
  • Rota para um host específico através de um próximo roteador: 
    ip route 192.168.10.5/32 191.36.9.100
  • Rota para um host específico através de uma interface de rede: nesse caso, imagine que exista uma subrede que contém o IP do host, porém esse host específico está conectado a outra interface de rede.
    ip route 192.168.10.5/32 ethernet 1


Finalmente, se for usado o roteador sem-fio TP-Link WDR4300, rotas estáticas podem ser adicionadas no menu Advanced Routing -> Static Routing List em sua interface de gerenciamento:

PJI3-Tplink-routes.png
Criação de uma rota estática na interface de gerenciamento do roteador TP-Link WDR4300

Roteamento dinâmico

Roteamento 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 RIP

O 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:

  1. O protocolo envia mensagens atualizadas sobre rotas a cada 30 segundos;
  2. O protocolo envia a tabela completa para os roteadores da rede a cada atualização;
  3. O protocolo utiliza uma métrica baseada em distância, medida por saltos ou hopcount;
  4. O RIP utiliza o algoritmo de Bellman-ford para determinar o melhor caminho para um determinado fluxo de dados;
  5. O RIP baseia-se no protocolo UDP e utiliza a porta 520;
  6. O RIP possui um hopcount máximo de 15 saltos, sendo assim qualquer rede com 16 ou mais saltos de distância é considerada inalcançável.

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.


Rip.png


Exemplo RIP (De A para F)

Neste exemplo um determinado nó A deseja se comunicar com o nó E.
Inicialmente os roteadores possuem apenas suas próprias rotas definidas.


Partindo de A para Enlace Métrica
A Local 0


Neste exemplo, A inicia a comunicação enviando sua tabela. Quando recebem a mensagem de A, B e C se atualizam.

Partindo de B para Enlace Métrica
B Local 0
A A para B 1


Partindo de C para Enlace Métrica
C Local 0
A A para C 1


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.

Partindo de E para Enlace Métrica
E Local 0
C C para E 1
A C para E 2


Partindo de D para Enlace Métrica
D Local 0
B B para D 1
E D para E 1
A D para B 2


Partindo de A para Enlace Métrica
A Local 0
B A para B 1
C A para C 1
D A para B 2
E A para C 2


E envia sua tabela atualizada para F, que atualiza sua tabela.

Partindo de F para Enlace Métrica
F Local 0
E E para F 1
A E para F 3
B E para F 3
C E para F 2
D E para F 2


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.

Partindo de A para Enlace Métrica
A Local 0
B A para B 1
C A para C 1
D A para B 2
E A para C 2
F A para C 3

Atividades

Roteiro 02: Subredes e roteamento estático

Estes experimentos devem ser realizados no Netkit2, que deve ser executado na máquina real.

Para esquentar: uma rede mais simples:

  1. Transfira para seu computador o arquivo de configuração rede0.conf
  2. Execute o Netkit2, e no menu File->Load Only selecione o arquivo de configuração rede1.conf
  3. Use o menu File->Graph para visualizar a topologia da rede
  4. Use o menu Network->Start para iniciar a rede
  5. Sabendo que pc1 está na subrede 192.168.1.0/28, pc2 está na subrede 192.168.1.96/28, faça o seguinte:
    1. Configure os endereços IP de todas as interfaces dos hosts dessa rede
    2. Crie rotas estáticas nos hosts para que pc1 e pc2 consigam se comunicar

Praticamente a mesma rede, mas com um roteador a mais:

  1. Transfira para seu computador o arquivo de configuração rede00.conf
  2. Execute o Netkit2, e no menu File->Load Only selecione o arquivo de configuração rede1.conf
  3. Use o menu File->Graph para visualizar a topologia da rede
  4. Use o menu Network->Start para iniciar a rede
  5. Sabendo que pc1 está na subrede 192.168.1.0/28, pc2 está na subrede 192.168.1.96/28, faça o seguinte:
    1. Configure os endereços IP de todas as interfaces dos hosts dessa rede
    2. Crie rotas estáticas nos hosts para que pc1 e pc2 consigam se comunicar


Agora uma rede um pouco maior:

  1. Transfira para seu computador o arquivo de configuração rede1.conf
  2. Execute o Netkit2, e no menu File->Load Only selecione o arquivo de configuração rede1.conf
  3. Use o menu File->Graph para visualizar a topologia da rede
  4. Use o menu Network->Start para iniciar a rede
  5. Sabendo que pc1 está na subrede 172.18.12.64/26, pc2 está na subrede 192.168.5.32/27, e pc3 está na subrede 10.0.10.0/24, faça o seguinte:
    1. Configure os endereços IP de todas as interfaces dos hosts dessa rede
    2. Crie rotas estáticas nos hosts para que pc1, pc2 e pc3 consigam se comunicar


Esta rede é ainda maior:

  1. Transfira para seu computador o arquivo de configuração rede3.conf
  2. Execute o Netkit2, e no menu File->Load Only selecione o arquivo de configuração rede3.conf
  3. Use o menu File->Graph para visualizar a topologia da rede
  4. Use o menu Network->Start para iniciar a rede
  5. Sabendo que pc1 está na subrede 172.18.12.64/26, pc2 está na subrede 192.168.5.32/27, pc3 está na subrede 10.0.10.0/24, pc4 está em 200.135.37.128/25 e pc5 está em 150.162.33.0/24, faça o seguinte:
    1. Configure os endereços IP de todas as interfaces dos hosts dessa rede
    2. Crie rotas estáticas nos hosts para que pc1, pc2, pc3, pc4 e pc5 consigam se comunicar pelo caminho mais curto
    3. Suponha que o link entre r1 e r3 tenha caído, modifique as rotas estáticas nos hosts para que pc1, pc2, pc3, pc4 e pc5 voltem a se comunicar pelo caminho mais curto


Por fim, esta rede tem algo de diferente:

  1. Transfira para seu computador o arquivo de configuração multigw.conf
  2. Execute o Netkit2, e no menu File->Load Only selecione o arquivo de configuração multigw.conf
  3. Use o menu File->Graph para visualizar a topologia da rede
  4. Use o menu Network->Start para iniciar a rede
  5. Sabendo que pc1 está na subrede 172.18.8.128/26, pc2 está na subrede 172.18.8.96/27, pc3 está na subrede 10.0.10.0/28 e pc4 está em 200.135.37.128/25, faça o seguinte:
    1. Configure os endereços IP de todas as interfaces dos hosts dessa rede
    2. Crie rotas estáticas nos hosts para que pc1, pc2, pc3 e pc4 consigam se comunicar pelo caminho mais curto

Roteamento estático entre redes das equipes

PJI3-Rede-equipes-uplink.png


  1. Transfira para seu computador o arquivo de configuração redex.conf
  2. Execute o Netkit2, e no menu File->Load Only selecione o arquivo de configuração redex.conf
  3. Use o menu File->Graph para visualizar a topologia da rede
  4. Use o menu Network->Start para iniciar a rede
  5. O provedor lhe concedeu a subrede 192.168.X.0/24. Usando essa subrede, configure as subredes e todos endereços de computadores e roteadores de sua rede. Assim, você precisará subdividir a subrede 192.168.X.0/24 para obter as subredes menores necessárias para configurar sua rede.
    1. Configure os endereços IP de todas as interfaces dos hosts dessa rede
    2. Crie rotas estáticas nos hosts para que pc1, pc2 e pc3 consigam se comunicar
  6. Note que r3 possui um link para a rede externa por meio da interface eth4. Essa interface deve usar o endereço 192.168.1.10X/24. Configure as rotas necessárias para que os hosts de sua rede consigam se comunicar com os hosts das redes de seus colegas.


Roteamento dinâmico (com o RIP)

Rip netkit.jpg

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.

  1. Reinicie o NetKit2 para limpar todas as configurações.
  2. Transfira o arquivo exp2.conf para seu computador, gravando-o para um arquivo em seu diretório pessoal. O arquivo exp2.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.
  3. Carregue o arquivo exp2.conf no Netkit2 usando o menu File->Load Only. Em seguida, use o menu File->Graph para visualizar a topologia da rede a ser executada (compare-a com a figura no início desta atividade). Por fim, inicie a execução da rede usando o menu Network->Start.
  4. Para testar o ambiente criado no pc1 execute: ping 192.168.2.1 </syntaxhighlight> O ping está funcionando? Por quê?
  5. Deixe o ping rodando!
  6. Agora em cada roteador, configure o serviço RIP para que os testes da próxima etapa possam ser executados. No terminal de cada um dos roteadores, execute estes comandos:
    configure terminal
router rip
redistribute connected
redistribute static
network eth1
network eth2
end
  7. Olhe o terminal do pc1, o que ocorreu com o ping? Por quê?
  8. Observando o estado do sistema. Vamos usar comandos para verificar o estado dos roteadores.
    1. Verifique o estado das interfaces usando o comando: show interface </syntaxhighlight>
    2. Verifique se o roteador está habilitado para roteamento: show ip forwarding </syntaxhighlight>
    3. Verifique o estado da tabela de roteamento usando o comando: show ip route </syntaxhighlight> Interprete detalhadamente essa tabela! Você consegue visualizar o mapa da rede a partir dessa tabela?
    4. Verifique a configuração atual do roteador: show running-config </syntaxhighlight>
  9. Teste as demais conectividades entre os PCs com pings mútuos. Tudo funcionando?
  10. A partir de cada PC trace a rota (traceroute) para os demais PC e anote-as.
  11. Com o route -n e/ou netstat -r verifique a anote as rotas para cada rede a partir dos pcs.
  12. Pare todos os pings.
  13. Inicie o shell para utilizar o TCPDUMP.start-shell</syntaxhighlight>
  14. Execute no r1.tcpdump -i any -w /hostlab/ripr1.pcap</syntaxhighlight>
  15. Aguarde uns 2 minutos para capturar pacotes específicos do protocolo de roteamento RIP.
  16. Com o navegador de arquivos entre na pasta /home/aluno/lab/ e dê um duplo click no arquivo ripr1.pcap e tente compreender as mensagens RIPv2 (UDP 17) trocadas. As mensagens são trocadas aproximadamente a cada minuto, se não aparecer nenhuma no Wireshark faça um reload: <Ctrl+r> até surgir alguma mensagem. Olhe com atenção os IPs e as métricas apresentadas.
    1. O que dizem essas mensagens?
    2. Pesquise o significado do endereço 224.0.0.9.
  17. A partir do pc1 deixe rodando o ping ping 192.168.2.1</syntaxhighlight>
  18. Com o tcpdump rodando em r1, desative um dos enlaces entre os roteadores e acompanhe a troca de mensagens no Wireshark (dê um reload). Por questões de compatibilidade vamos desativar uma interface de um modo especial. Por exemplo, para "derrubar" o enlace r3-r1, execute no r3:

configure t entra no mode de configuração interface eth1 entra na referida interface a ser operada shutdown desativa a interface, se desejado </syntaxhighlight>

  1. Permaneça monitorando o ping e o Wireshark (reload: <Ctrl+r>), a recuperação das rotas leva em torno de 1-3 min:
    1. Quais as mensagens trocadas pelo protocolo RIP observadas no WireShark? Observe o trecho de mensagens onde não houve respostas ao ping.
    2. Qual o tempo aproximado para a total recuperação das rotas? (Isso seja observável pela diferença de tempos (timestamp) na sequência de mensagens observadas no Wireshark).
  2. Teste as conectividades. O que aconteceu?
  3. Retrace as rotas com nos roteadores show ip route </syntaxhighlight> e com o traceroute </syntaxhighlight> a partir dos PCs.
    1. São diferentes do caso original (todos enlaces ativos)? Por quê?
    2. Quais os caminhos/rotas que foram reescritos? Por quê?
  4. Reative a interface r3-r1.no shutdown</syntaxhighlight>
    1. Com o Wireshark, identifique as mensagens trocadas entre os roteadores envolvidos na mudança.
    2. Qual a sua interpretação da mensagem? Qual o motivo da troca dessa mensagem em particular?

Revisitando o roteamento entre equipes ... mas dinâmico

  1. Cada aluno deve obter o arquivo de configuração exp2x.conf. Transfira-o para seu computador.
  2. Abra um terminal em seu computador, e execute este comando: 
    sed s/X/seu_numero/ exp2x.conf > redex.conf
    ... para preparar esse arquivo com os endereços IP da sua subrede. Seu número deve ser aquele informado pelo professor.
  3. Carregue o arquivo redex.conf no netkit2, o qual foi criado com o comando do item 2.
  4. Repita a configuração vista anteriormente para ativar o RIP.
  5. Confira as rotas criadas nos roteadores (em especial no roteador r3).
  6. Teste a comunicação com os hosts de seus colegas.

27/11/2020: Endereçamento IPv6, roteamento estático e dinâmico

Aula 6

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.


Pji3-Number-of-internet-hosts-in-the-domain-name-system.jpg
Número de hosts na Internet mundial registrados no DNS (a quantidade total deve ser bem maior !). As quantidades são expressadas em milhões de hosts. Obtido de: Statista

Endereço IPV6

Um 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..

End1.png

Adoção no Brasil

O Brasil está entre os 10 países com maior adoção de IPv6, segundo o Google:


Endereços IPv6 estão sendo amplamente usados por provedores de acesso, como se pode comprovar em serviços de dados do tipo ADSL e LTE:


Pji3-ipv6-movel.png
Cópia de tela de um celular mostrando o uso de endereço IPv6 em seu link de dados

Adoção no Brasil

O Brasil está entre os 10 países com maior adoção de IPv6, segundo o Google:


Endereços IPv6 estão sendo amplamente usados por provedores de acesso, como se pode comprovar em serviços de dados do tipo ADSL e LTE:


Pji3-ipv6-movel.png
Cópia de tela de um celular mostrando o uso de endereço IPv6 em seu link de dados

Tipos de Endereços IPV6


O IPV6 possui categorias de endereços, conforme a tabela a seguir:

Tipos de end ipv6.png

  • Endereços Anycast: Um endereço IPv6 anycast é utilizado para identificar um grupo de interfaces, porém, com a propriedade de que um pacote enviado a um endereço anycast é encaminhado apenas a interface do grupo mais próxima da origem do pacote. Os endereços anycast são atribuídos a partir da faixa de endereços unicast e não há diferenças sintáticas entre eles.
  • Endereços Loopback: Endereços aplicados as interfaces loopback dos host; (Verificar com ifconfig)
  • Endereços Link local: Podem ser utilizados apenas no enlace específico onde a interface está conectada, sendo assim não é roteável;
  • Endereços Unique local address Endereço com grande probabilidade de ser globalmente único, utilizado apenas para comunicações locais, geralmente dentro de um mesmo enlace ou conjunto de enlaces. Um endereço ULA não deve ser roteável na Internet global;
  • Endereços 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;
  • Endereços Global unicast: Equivalente aos endereços públicos IPv4, o endereço global unicast é globalmente roteável e acessível na Internet IPv6.

Endereços Unicast

Lla.png

Link 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.


Ula ipv6.png


O endereço ULA é um endereço com grande probabilidade de ser globalmente único, utilizado apenas para comunicações locais, geralmente dentro de um mesmo enlace ou conjunto de enlaces. Um endereço ULA não deve ser roteável na Internet global. Um endereço ULA, criado utilizando um ID global e alocado pseudo-randomicamente, é composto das seguintes partes: Prefixo: FC00::/7; Flag Local (L); se o valor for 1 (FD) o prefixo é atribuído localmente. Se o valor for 0 (FC), o prefixo deve ser atribuído por uma organização central (ainda a definir); identificador global identificador de 40 bits usado para criar um prefixo globalmente único. Identificador da Interface identificador da interface de 64 bits.

Global unicast.png

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 Multicast

Multcast.png

O 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 Unicast

Lla.png

Link 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.


Ula ipv6.png


O endereço ULA é um endereço com grande probabilidade de ser globalmente único, utilizado apenas para comunicações locais, geralmente dentro de um mesmo enlace ou conjunto de enlaces. Um endereço ULA não deve ser roteável na Internet global. Um endereço ULA, criado utilizando um ID global e alocado pseudo-randomicamente, é composto das seguintes partes: Prefixo: FC00::/7; Flag Local (L); se o valor for 1 (FD) o prefixo é atribuído localmente. Se o valor for 0 (FC), o prefixo deve ser atribuído por uma organização central (ainda a definir); identificador global identificador de 40 bits usado para criar um prefixo globalmente único. Identificador da Interface identificador da interface de 64 bits.

Global unicast.png

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 Multicast

Multcast.png

O 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 IPV6

Header ipv6.png

O 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:

  • Class of traffic: define a classe de serviço a que o pacote pertence, possibilitando associar diferentes prioridades a pacotes dependendo da exigência de cada aplicação. Com isso, podem-se dar subsídios ao controle da qualidade de serviço (QoS) na rede.
  • Flow Label: proposto para identificar datagramas que fazem parte de um mesmo fluxo, o que facilitaria, em tese, o tratamento dado a esses datagramas na rede. Atualmente esse cabeçalho não tem sido usado, e pode ser que em revisões futuras seja mudado seu propósito.
  • Payload Length: quantidade de bytes contidos na carga útil transportada pelo datagrama (payload).
  • Next Header: informa que há um cabeçalho opcional em seguida.
  • Hop: Número máximo de saltos (roteadores intermediários), da origem ao destino do datagrama, que podem ser percorridos antes do datagrama ser descartado. Em outras palavras, quantidade máxima de encaminhamentos permitidos para o datagrama. Tem papel similar ao campo TTL do IPv4.

Header ipv4.png

Auto-configuração de endereços


Em redes IPv4, a auto-configuração de hosts se faz com o serviço DHCP. Em redes IPv6 existem duas formas de auto-configurar hosts:

  • SLAAC (Auto-configuração stateless): um host gera seu próprio endereço IPv6 a partir de informação anunciada periodicamente pelo gateway da rede. O gateway não sabe que host usa qual endereço IPv6.
  • DHCPv6: similar ao serviço DHCP para IPv4, um host obtém toda sua configuração de rede (incluindo seu endereço IPv6) de um servidor DHCPv6. Esse servidor mantém informações sobre que host usa qual endereço IPv6.

SLAAC

Com 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:

  • Configuração do prefixo ou neste caso a identificação da subrede. Nesta etapa, os prefixos são coletados pelos hosts por meio de mensagens ICMPv6, chamadas de Router Advertisement, as quais são transmitidas pelos roteadores.
  • Configuração do sufixo do host identificação do host propriamente dito. Nesta etapa, o sufixo de host é automaticamente obtido a partir do endereço MAC de 48 bits obtido de sua próprio interface de rede Ethernet ou Wifi. Uma vez que um endereço MAC possui apenas 48 bits, porém os sufixos IPV6 possuem 64 bits, os 16 bits restantes para completar o endereço IPV6 são inseridos por uma função de expansão chamada de Extended Unique Identifier (EUI). A função EUI executa as seguintes etapas:
  1. Separa o endereço MAC em dois blocos de 24 bits
  2. Adiciona os algarismos hexadecimais FFFE entre os dois blocos
  3. Muda o sétimo bit do primeiro byte para 1 para sinalizar que o endereço é gerenciado localmente.


Este exemplo mostra a geração do sufixo de um endereço IPv6:

Sufix ipv62.jpg


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:

  • Parameter Discovery: atua na descoberta por um host de informações sobre o enlace (como MTU) e sobre a Internet (como limite de saltos).
  • Address Autoconfiguration: trabalha com a autoconfiguração stateless de endereços nas interfaces de um nó.
  • Duplicate Address Detection: utilizado para descobrir se o endereço que se deseja atribuir a uma interface já está sendo utilizado por um outro nó na rede.


Já no caso da transmissão de pacotes entre nós, o suporte é dado para a realização de seis funcionalidades:

  • Router Discovery: trabalha com a descoberta de roteadores pertencentes ao enlace.
  • Prefix Discovery: implementa a descoberta de prefixos de redes do enlace, cuja a finalidade é decidir para onde os pacotes serão direcionados numa comunicação (se é para um roteador especifico ou direto para um nó do enlace).
  • Address Resolution: descobre o endereço fisico através de um endereço lógico IPv6.
  • Neighbor Unreachability Detection: permite que os nós descubram se um vizinho é ou se continua alcançavel, uma vez que problemas podem acontecer tanto nos nós como na rede.
  • Redirect: permite ao roteador informar ao nó uma rota melhor ao ser utilizada para enviar pacotes a determinado destino.
  • Next-Hop Determination: algoritmo para mapear um endereço IP de destino em um endereço IP de um vizinho para onde o trafego deve ser enviado.


Tratando especificamente da auto-configuração IPv6, o protocolo NDP usa mensagens ICMPv6 do tipo RA (Router Advertisement - Anúncio de Roteador) para anunciar parâmetros da subrede. Essas mensagens são tipicamente enviadas periodicamente pelo gateway, e contêm estas informações:

  • prefixo da subrede
  • endereço do servidor DNS
  • MTU
  • rotas para subredes específicas
  • domínios DNS


Em sistemas Linux, o envio de mensagens RA por um roteador são feitas pelo software radvd.


Ao receber uma mensagem RA, um host pode completar sua auto-configuração, e assim se comunicar na rede IPv6. A figura a seguir mostra mensagens RA enviadas por um roteador:

Pji11103-Radv.jpg

DHCPv6


O protocolo DHCPv6 guarda semelhanças com DHCP usado em redes IPv4. Ele implementa um serviço de configuração dinâmica de endereços. Assim como DHCP, DHCPv6 pode fornecer muitas outras informações aos hosts, tais como endereços de servidores WINS, proxy HTTP, programa de boot, entre outros.


De acordo com o livro Laboratório de IPv6, na página 51, basicamente, a comunicação entre o servidor DHCP e as máquinas cliente se dá com a troca de quatro mensagens:

  • Solicit: enviada pelo cliente ao grupo multicast all-dhcp-agents (ff02::1:2) com o intuito de localizar o servidor DHCP.
  • Advertise: enviada pelo servidor DHCP, diretamente ao endereço link-local do cliente, para indicar que ele pode fornecer as informações necessárias para a configuração.
  • Request: enviada pelo cliente diretamente ao grupo multicast all-dhcp-agents (ff02::1:2) para requisitar ao servidor DHCP os dados de configuração.
  • Reply: enviada pelo servidor DHCP ao endereço de link-local do cliente como resposta à mensagem Request.


O DHCPv6 possui dois modos de operação:

  • Stateful: o servidor DHCPv6 é responsável por informar aos clientes os endereços IPv6 que devem ser utilizados em suas interfaces de rede, mantendo o estado de qual endereço foi atribuído a determinado cliente.
  • Stateless: o servidor DHCPv6 informa apenas parâmetros de configuração como endereço dos servidores DNS ou servidores SIP da rede aos clientes, sem a necessidade de guardar qual informação individual de cada cliente. Nesse segundo caso, o cliente deverá obter o endereço IPv6 de sua interface de outra forma, seja manualmente ou SLAAC.


Para usar DHCPv6, é necessário um software específico a ser executado no servidor. Esse software responde a requisições de configuração de rede enviadas por clientes, fornecendo-lhes seus endereços IPv6 e demais configurações. Em sistemas Linux (e outros da família Unix), o software mais usado é o ISC DHCP server. Como visto no caso de DHCP para redes IPv4, esse software deve ser copnfigurado a partir do arquivo /etc/dhcp/dhcpd6.conf. O exemplo de configuração a seguir mostra a declaração de uma subrede IPv6 com a respectiva faixa de endereços a serem concedidos e o servidor DNS a ser informado: 

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;
}


Muitas opções para DHCPv6 podem ser usadas. Maiores detalhes podem ser encontrados na documentação sobre as opções.

Atividades

Objetivos:

  • Usar endereços IPv6 para endereçar hosts em uma rede
  • Realizar comunicações usando IPv6
  • Usar ferramentas de diagnóstico para IPv6

Para realizar estas atividades serão necessários alguns comandos:

  • Teste com ping6: deve-se especificar a interface de rede por onde as mensagens do ping6 serão transmitidas:

    ping6 -I eth0 endereço_IPv6_a_ser_pingado

  • Tabela de rotas:

    route -A inet6

  • Configuração de interface de rede: usa-se o programa ifconfig desta forma:

    ifconfig nome_interface inet6 add endereço_IPv6

  • Criação de rota: uma rota IPv6 pode ser adiciona assim:

    route -A inet6 add prefixo/máscara gw IPv6_do_próximo_roteador
  • Teste com ping6:
    ping6 endereço_IPv6_a_ser_pingado
    Obs: endereço IPv6 deve ser escopo global. Se for escopo link, deve-se informar a interface de rede por onde fazer o ping: 
    ping6 -I nome_interface endereço_IPv6_a_ser_pingado
  • Listagem de rotas: a tabela de rotas IPv6 pode ser visualizada assim: 
    route -A inet6 -n
  • Adicionar nova rota para:
    route -A inet6 add prefixo/mascara gw IPv6_gateway
    Obs: IPv6_gateway é um endereço IPv6 de escopo global. Se o endereço conhecido for de escopo link, o comando deve informar também a interface de saída para essa rota: 
    route -A inet6 add prefixo/mascara gw IPv6_gateway dev nome_interface

Roteiro 03: Endereçamento IPv6, roteamento estático e dinâmico

Parte 1: Endereços IPv6

  1. Verifique quais provedores de conteúdo já usam IPv6. Isso pode ser feito com consultas DNS como esta: 
    host -t aaaa www.google.com
    Algumas sugestões para procura:
    • IFSC
    • UFSC
    • UDesc
    • UOL
    • Epagri
    • Facebook
    • ... e outros !
  2. Em seu computador use o programa ifconfig para identificar o endereço IPv6 associado a sua interface ethernet.
  3. Use o ping6 para testar a comunicação com IPv6 entre seu computador e o de um colega. Há alguma diferença no resultado, em relação ao ping baseado em IPv4 ?
  4. Com o ping6 em execução ative a captura de pacotes com wireshark ou tcpdump. Visualize os pacotes enviados e recebidos pelo ping6 ... identifique os protocolos envolvidos. Qual a diferença em relação ao ping baseado em IPv4 ?
  5. Adicione outro endereço IPv6 ao seu computador. Escolha um endereço formado pelo prefixo AA:BB::/64 e o endereço MAC da sua interface de rede.
  6. Teste novamente com ping6 a comunicação com os computadores de seus colegas.
  7. Assim como no caso de IPv4, existe uma tabela de rotas IPv6 em cada host. Visualize a tabela de rotas IPv6 em seu computador com este comando: 
    route -A inet6
    ... e procure identificar as subredes ali listadas.


Parte 2: Experimento com uma rede IPv6

Estes experimentos devem ser realizados no Netkit2, que deve ser executado na máquina real.


Para esquentar: uma rede mais simples:

  1. Transfira para seu computador o arquivo de configuração rede0.conf
  2. Execute o Netkit2, e no menu File->Load Only selecione o arquivo de configuração rede0.conf
  3. Use o menu File->Graph para visualizar a topologia da rede
  4. Use o menu Network->Start para iniciar a rede
  5. Sabendo que pc1 está na subrede 2804:1454:1004:200::/64 e pc2 está na subrede 3ABB:CCDD:EEFF::/64, faça o seguinte:
    1. Configure os endereços IP de todas as interfaces dos hosts dessa rede
    2. Crie rotas estáticas nos hosts para que pc1 e pc2consigam se comunicar

Praticamente a mesma rede, mas com um roteador a mais:

  1. Transfira para seu computador o arquivo de configuração rede00.conf
  2. Execute o Netkit2, e no menu File->Load Only selecione o arquivo de configuração rede00.conf
  3. Use o menu File->Graph para visualizar a topologia da rede
  4. Use o menu Network->Start para iniciar a rede
  5. Sabendo que pc1 está na subrede 2010:1aba:4455::/64 e pc2 está na subrede 3ABB:EEFF::/64, faça o seguinte:
    1. Configure os endereços IP de todas as interfaces dos hosts dessa rede
    2. Crie rotas estáticas nos hosts para que pc1 e pc2 consigam se comunicar

Parte 3: SLAAC

  1. Execute o netkit2
  2. Arraste este link para o arquivo de configuração rede0.conf e solte-o sobre a janela do netkit2
  3. Use o menu File->Graph para visualizar a topologia da rede
  4. Use o menu Network->Start para iniciar a rede
  5. Verifique os endereços IPv6 globais usado por pc1 e pc2. Compare-os com os endereços globais usados por r1.
  6. Teste a comunicação entre pc1 e pc2 com ping6.
  7. Em r1 crie o arquivo /etc/radvd.conf com este conteúdo: 
    interface eth1 {
  AdvSendAdvert on;
  MinRtrAdvInterval 3;
  MaxRtrAdvInterval 10;
  prefix ccdd:0:0:0:0:0:0:0/64 {
  AdvOnLink on;
  AdvAutonomous on;
  };
};
interface eth0 {
  AdvSendAdvert on;
  MinRtrAdvInterval 3;
  MaxRtrAdvInterval 10;
  prefix aabb:0:0:0:0:0:0:0/64 {
  AdvOnLink on;
  AdvAutonomous on;
  };
};
  8. Em r1 execute este comando: 
    /etc/init.d/radvd start
  9. Verifique os endereços IPv6 globais usado por pc1 e pc2. Compare-os com os endereços globais usados por r1.
  10. Teste a comunicação entre pc1 e pc2 com ping6.
  11. Verifique a tabela de rotas IPv6 em pc1 e pc2. Compare o endereço do roteador default com o do gateway.
  12. Selecione o host pc1 e, em seguida, o menu Wireshark->eth0.
  13. Observe as mensagens de anúncio de roteador recebidas. Que informações elas contêm ?
  14. Agora experimente por esta rede no ar usando SLAAC ! Talvez seja necessário algo mais ...

Parte 4: DHCPv6

  1. Execute o netkit2
  2. Arraste este link para o arquivo de configuração rede0.conf e solte-o sobre a janela do netkit2
  3. Use o menu File->Graph para visualizar a topologia da rede
  4. Use o menu Network->Start para iniciar a rede
  5. Verifique os endereços IPv6 globais usado por pc1 e pc2. Compare-os com os endereços globais usados por r1.
  6. Teste a comunicação entre pc1 e pc2 com ping6.
  7. Em r1 crie o arquivo /etc/radvd.conf com este conteúdo: 
    interface eth1 {
  AdvSendAdvert on;
  MinRtrAdvInterval 3;
  MaxRtrAdvInterval 10;
  prefix ccdd:0:0:0:0:0:0:0/64 {
  AdvOnLink on;
  AdvAutonomous on;
  };
};
interface eth0 {
  AdvSendAdvert on;
  MinRtrAdvInterval 3;
  MaxRtrAdvInterval 10;
  AdvManagedFlag on;
};
    Mesmo que se use DHCPv6 é necessário usar SLAAC para obter o endereço do gateway. Por isso em r1 se ativou o serviço radvd, porém indicando que o host deve usar configuração de endereço stateful (opção AdvManagedFlag).
  8. Em r1 crie o arquivo /etc/dhcp/dhcpd6.conf com este conteúdo: 
    default-lease-time 600;
max-lease-time 7200;

subnet6 aabb::/64 {
  range6 aabb::10 aabb::a00;
  option dhcp6.name-servers aabb::2;
}

subnet6 ccdd::/64 {
  range6 ccdd::10 ccdd::a00;
  option dhcp6.name-servers aabb::2;
}
  9. Em r1 execute este comando: 
    /etc/init.d/radvd start
  10. Verifique os endereços IPv6 globais usado por pc1 e pc2. Compare-os com os endereços globais usados por r1.
  11. Teste a comunicação entre pc1 e pc2 com ping6.
  12. O host pc1 não obteve seu endereço IPv6, pois ele deve fazê-lo via DHCPv6. Sendo assim, faça o seguinte:
    • Em r1 ative o servidor DHCPv6 com este comando: 
      touch /var/lib/dhcp/dhcpd6.leases
chown dhcpd.dhcpd /var/lib/dhcp/dhcpd6.leases
dhcpd -6 -cf /etc/dhcp/dhcpd6.conf
    • Em pc1 execute o cliente DHCPv6 com este comando: 
      dhclient -6 eth0
  13. Verifique o endereços IPv6 global usado por pc1. Compare-o com os endereços globais usados por r1.
  14. Teste a comunicação entre pc1 e pc2 com ping6.
  15. Verifique a tabela de rotas IPv6 em pc1 e pc2. Compare o endereço do roteador default com o do gateway.
  16. Uma reflexão: qual benefício existe em usar DHCPv6, ao invés de somente SLAAC ?

Parte 5: Roteamento dinâmico com IPV6 (com o RIPNG)

Rede ripng.jpg

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).

  1. Reinicie o NetKit2 para limpar todas as configurações.
  2. Arraste o link redeipv6.conf para a janela do Netkit2.

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.

  1. Use o menu File->Graph para visualizar a topologia da rede a ser executada (compare-a com a figura no início desta atividade). Por fim, inicie a execução da rede usando o menu Network->Start.
  1. Para testar o ambiente criado no pc1 execute um ping para o pc2: ping6 aabb:ccdd:eeff::1 </syntaxhighlight> O ping está funcionando? Por quê?
  2. Deixe o ping rodando!
  3. Agora em cada roteador, configure o serviço RIP IPV6 para que os testes da próxima etapa possam ser executados. No terminal de cada um dos roteadores, execute estes comandos:
    configure t
router ripng
redistribute connected
redistribute static
network eth1
network eth2
end
  4. Olhe o terminal do pc1, o que ocorreu com o ping? Por quê?
  5. Observando o estado do sistema. Vamos usar comandos para verificar o estado dos roteadores.
    1. Verifique o estado das interfaces usando o comando: show interface </syntaxhighlight>
    2. Verifique se o roteador está habilitado para roteamento: show ipv6 forwarding </syntaxhighlight>
    3. Verifique o estado da tabela de roteamento usando o comando: show ipv6 route </syntaxhighlight> Interprete detalhadamente essa tabela! Você consegue visualizar o mapa da rede a partir dessa tabela?
    4. Verifique a configuração atual do roteador: show running-config </syntaxhighlight>
  6. Teste as demais conectividades entre os PCs com pings mútuos. Tudo funcionando?
  7. A partir de cada PC trace a rota (traceroute IP_Destino) para os demais PC e anote-as.
  8. Com o route -A inet6 -n verifique a anote as rotas para cada rede a partir dos pcs.
  9. Pare todos os pings.
  10. No roteador r1 use o menu no canto superior direito do netkit2, vá em Wireshark->eth1, para coletar os pacotes da interface eth2, e verifique as ocorrências de pacotes RIPNG.
  11. Aguarde uns 2 minutos para capturar pacotes específicos do protocolo de roteamento RIP.
  12. Digite Ctrl + R para atualizar a captura do netkit2.
  13. Tente compreender as mensagens trocadas. As mensagens são trocadas aproximadamente a cada minuto, se não aparecer nenhuma no Wireshark faça um reload: <Ctrl+r> até surgir alguma mensagem.
    1. O que dizem essas mensagens?
    2. Qual endereço multicast o ripng utiliza?
  14. A partir do pc1 deixe rodando o ping ping6 aabb:ccdd:eeff::2</syntaxhighlight>
  15. Com o wireshark rodando em r1, desative um dos enlaces entre os roteadores e acompanhe a troca de mensagens no Wireshark (dê um reload). Por questões de compatibilidade vamos desativar uma interface de um modo especial. Por exemplo, para "derrubar" o enlace r2-r1, execute no r2:

configure t entra no mode de configuração interface eth2 entra na referida interface a ser operada shutdown desativa a interface, se desejado </syntaxhighlight>

  1. Permaneça monitorando o ping6 e o Wireshark (reload: <Ctrl+r>). Observe os pacotes trocados e interprete.
    1. Quais as mensagens trocadas pelo protocolo RIP observadas no WireShark? Observe o trecho de mensagens onde não houve respostas ao ping.
  2. Agora observe as mensagens trocadas na interface eth1, no roteador r1 use o menu no canto superior direito do netkit2, vá em Wireshark->any, e verifique as ocorrências de pacotes RIPNG.
  3. Reative a interface r2-r1.no shutdown</syntaxhighlight>
    1. Com o Wireshark, identifique as mensagens trocadas entre os roteadores envolvidos na mudança.
    2. Qual a sua interpretação da mensagem? Qual o motivo da troca dessa mensagem em particular?

09/12/2020: Introdução a LAN

Aula 9

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

Existe uma 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 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 Metro Ethernet, Frame Relay, PON (entre outros). Outro exemplo de rede metropolitana é o 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.


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.


Para fins de ilustração, seguem alguns exemplos de redes WAN no Brasil:


Este outro exemplo apresenta um diagrama de uma rede MAN MetroEthernet em Florianópolis (diagrama antigo .. tal rede não deve mais ser assim !):

Man-metro.png


Outra possível MAN integraria uma região de uma cidade, como mostrado a seguir:

Pji3-Metro2.jpg
Uma rede MAN baseada em Ethernet (MetroEthernet)

Redes Locais (LAN)

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

  • 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 Lan-Star.png Ethernet (IEEE 802.3) com hubs e switches
Anel
(em desuso)		 Lan-Ring.png Token-ring (IEEE 802.5), FDDI
Barramento
(em desuso)		 Lan-Bus.png Ethernet (IEEE 802.3)
Árvore Lan-Tree.png Ethernet (IEEE 802.3) com hubs e switches
Árvore-gorda (Fat-tree) Lan-Fat-tree.png 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 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:


Lan2-2011-1.png
Uma LAN típica com um link para Internet


Cisco-datacenter.jpg
Uma LAN que integra servidores em um datacenter


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

Arquitetura IEEE 802


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

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


Arq-ieee.png


Alguns padrões conhecidos (lista completa):

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

Protocolo de acesso ao meio (MAC)

O protocolo de acesso ao meio (MAC) é parte da camada de enlace na arquitetura IEEE 802, e tem papel fundamental na comunicação entre estações. O MAC é responsável por:

  • Definir um formato de quadro onde deve ser encapsulada uma PDU de um protocolo de camada superior. Por exemplo, o quadro Ethernet (padrão IEEE 802.3) tem este formato:


Pji3-Ether-frame.jpg


  • 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:

Pji3-MAC-48 Address.svg
Formato do endereço MAC (criado por: Inductiveload, modificado/corrigido por: Kju Link do original)


  • Acessar o meio para efetuar a transmissão de quadros, resolvendo conflitos de acesso quando necessário. Um conflito de acesso (chamado de colisão) pode ocorrer em alguns casos quando mais de uma estação tenta transmitir ao mesmo tempo. Isso é fundamental em redes sem-fio, tais como Wifi (IEEE 802.11) e Bluetooth (IEEE 802.15.3), porém não é mais necessário nas LAN ethernet atuais (IEEE 802.3), que operam em modo full-duplex.

Padrão IEEE 802.3 (Ethernet)

  • Ver seção 5.4 do livro Redes de Computadores e a Internet, 6a edição, de James Kurose e Keith Ross.


Ethernet.png

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


Redes locais Ethernet (padrão IEEE 802.3 e extensões) são compostas de equipamentos que se comunicam, denominados estações (STA na padrão IEEE 802.3), de equipamentos que os interligam (hubs e switches), e do meio de transmissão. A figura abaixo ilustra uma rede local hipotética com seus vários componentes.

Lab1-lan-demo.png


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.


Lab1-nic-switch.png


Em resumo, são estes os elementos de uma rede Ethernet:

  • Estações: equipamentos que se comunicam pela rede. Ex: computadores e roteadores.
  • Interface de rede (NIC): dispositivo embutido em cada estação com a finalidade de prover o acesso à rede. Implementa as camadas PHY e MAC.
  • Meio de transmissão: representado pelos cabos por onde os quadros ethernet são transmitidos. Esses cabos são conectados às interfaces de rede das estações.
  • Switch: equipamento de interconexão usado para interligar as estações. Cada estação é conectada a um switch por meio de um cabo. Um switch usualmente possui múltiplas interfaces de rede (12, 24 ou mais). Uma rede com switches apresenta uma topologia física em estrela, árvore ou mesmo em anel !


Originalmente LANs Ethernet foram construídas usando um cabo único para interligar as estações (cabo coaxial). Posteriormente surgiram as redes baseadas em hubs, equipamentos que interligavam as estações em nível da camada física (funcionavam como repetidores). Atualmente essas redes são construídas usando switches, equipamentos que interligam as estacões em nível da camada de enlace (na verdade, da subcamada MAC). Um switch apresenta como benefícios, se comparado com hubs:

  1. 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.
  2. preservação da capacidade do canal: para quadros unicast, o switch encaminha um quadro somente pela porta onde reside o destinatário.
  3. 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).
  4. realizar funções avançadas de interligação de segmentos: um switch pode realizar diversas funções de rede, tais como virtualização (VLAN), tratamento de caminhos fechados (loops), agregação de enlaces, controle de acesso, entre outras.


Essas características importantes devem fazer com que uma LAN com switches tenha um desempenho superior a uma LAN com hubs. Por desempenho entenda-se um número menor de colisões sob tráfego intenso (ou mesmo ausência total de colisões), e maior capacidade de canal vista por cada equipamento conectado ao switch.


O padrão sofreu um grande número de atualizações e extensões desde sua concepção nos anos 1980. Por exemplo, em sua primeira versão uma rede ethernet apresentava taxa de transmissão de 10 Mbps em half-duplex, porém atualmente essas redes operem em 1 Gbps em modo full-duplex. Na realidade, já existem versões em uso com taxas de 10 Gbps, e outras mais recentes com taxas de até 100 Gbps (ver página 46 da revista RTI online). Uma tabela dessas extensões ao padrão podem ser vistas na Wikipedia.


Além de taxas maiores de transmissão, a operação em modo full-duplex predominante nas versões recentes do padrão prescindem do controle de acesso ao meio feito pelo protocolo MAC. Quando em modo half-duplex, o controle de acesso ao meio do tipo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect - Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora/Detecção de Colisões) ainda é necessário.


Quando em modo half-duplex, usa-se o acesso ao meio do tipo CSMA/CD, que é probabilístico: uma estação verifica se o meio está está livre antes de iniciar uma transmissão, mas isso não impede que ocorra uma colisão (apenas reduz sua chance). Se acontecer uma colisão, cada estação envolvida usa esperas de duração aleatória para desempate, chamadas de backoff. A ideia é que as estações sorteiem valores de espera diferentes, e assim a que tiver escolhido um valor menor consiga transmitir seu quadro. Veja o fluxograma acima para entender como isso é feito.

Csmacd-fluxograma.jpg
Fluxograma para o acesso ao meio com CSMA/CD do padrão IEEE 802.3.


As colisões e esperas (backoffs) impedem que esse protocolo de acesso ao meio aproveite totalmente a capacidade do meio de transmissão. Nas gerações atuais do padrão IEEE 802.3 (Gigabit Ethernet e posteriores) o CSMA/CD não é mais utilizado. Nessas atualizações do padrão, o modo de comunicação é full-duplex (nas versões anteriores, que operavam a 10 e 100 Mbps, há a possibilidade de ser half ou full-duplex). Se as comunicações são full-duplex, então conceitualmente não existem colisões. Isso se deve ao fato de que nessas novas versões cada estação possui uma via exclusiva para transmitir e outra para receber, portanto não existe mais um meio compartilhado.

16/12/2020: Interligação de LANs

Aula 11

  • 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.


Nas 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.

Interligação de LANs (norma IEEE802.1D)


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, ...


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.

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:

Ex switch.jpg

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 ...


Ex switch2.jpg


... e envia o pacote de A para todas as portas.


Ex switch3.jpg


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).


Ex switch4.jpg

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:

Rede-ifsc-sj.png


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:

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
com topologias arbitrárias, usando como base uma infraestrutura de rede local física.
Isso é semelhante a máquinas virtuais, em que se criam computadores virtuais
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 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:


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.


Quadro-8021q.png
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:
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).

Um simulador de VLANs

03/02/2021: LANs e caminhos fechados

Aula 14

  • 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.
  • 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:


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:

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 STP (Spanning Tree Protocol, definido na norma IEEE 802.1d) para realizar automaticamente essa tarefa.

A configuração STP em switches deve observar o seguinte:

  1. 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.
  2. 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
  3. STP deve ser ativado nas portas dos switches: alguns modelos de switch exigem que se informe em quais portas o STP deve ser ativado.
  4. RSTP é melhor que STP: o protocolo RSTP é uma versão melhorada do STP, a qual resolve o problema de caminhos fechados mais rapidamente.
  5. 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:

  1. 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.
  2. 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.


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.

LAN-anel-stp.png

Parte 1: O efeito de caminhos fechados

  1. 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).
  2. Inicie o experimento. Quando todas as máquinas virtuais estiverem rodando, tente fazer um ping de alguma máquina virtual para outra. Esse ping funcionou normalmente ?
  3. 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 ?
  4. 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:
    tcpdump -i eth0 -ln
    O que você conclui quanto ao tráfego na rede ? Descreva exatamente o que está acontecendo e qual a causa.
  5. 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:

  1. Ative o protocolo STP em todos os switches usando este comando:
    brctl stp vlan1 on
    ... e então repita os passos 3 e 4 da parte 1 do roteiro. A rede funcionou normalmente desta vez ?
  2. 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 ?
  3. Reative a interface do switch1. Como se comportou o ping enquanto isso ?
  4. 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) ?
  5. 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:
    brctl showstp vlan1
brctl showmacs vlan1
    Além disso, vamos também executar o tcpdump na interface do switch1 que o conecta ao switch3:
    tcpdump -i eth0 -ln

05/02/2021: LANS e agregação de enlaces

Aula 15


Em uma LAN composta por switches, enlaces entre switches formados por um único cabo apresentam algumas limitações:

  1. Se algum problema acontecer com o cabo, ou nas portas dos switches envolvidos, a comunicação entre os switches é interrompida
  2. 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:

Pji3-Lag0.jpg
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 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.

Pji3-Lag1.jpg
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

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 nesta página) ilustram o estabelecimento de um enlace agregado com LACP, uma vez que as condições acima estejam satisfeitas:

Pji3-La1a.jpeg
Dois switches com quatro enlaces físicos de 100 Mbps entre eles


Pji3-La1b.jpeg
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.

  1. Execute o netkit2 e nele carregue este arquivo de configuração (aggr1.conf). Ele representa esta rede:
    Pji3-Aggr1.png
    A interface bond0 representa um link agregado, cujas portas físicas são eth1 e eth2.
  2. Inicie a rede no netkit2. Em seguida selecione pc1, e nele execute este comando: 
    ping 10.0.0.2
    ... para fazer um ping para pc2.
  3. Selecione o switch sw1, e nele visualize o tráfego que passa pela interface bond0. Essa é a interface que representa o enlace agregado: 
    tcpdump -i bond0 -ln
    ... e observe que as mensagens ICMP do ping fluem normalmente.
  4. Interrompa o monitoramento da interface bond0, e em seguida monitore a interface eth1 (que é uma das portas associada ao enlace agregado): 
    tcpdump -i eth1 -ln
    ... 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 ?
  5. Agora em sw1 use o programa ifconfig para desativar uma das interfaces do enlace agregado (eth1 ou eth2).
  6. Repita o monitoramento do tráfego na interface bond0. Algo mudou em relação ao que se viu no passo 3 ?
  7. 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 ?
  8. Agora em sw2 use o programa ifconfig para desativar uma das interfaces do enlace agregado (a mesma que foi desativada em sw1)
  9. 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 ?
  10. 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

17/02/2021: Redes sem-fio IEEE 802.11

Aula 18

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


Pji3-Rede-acesso.jpg
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 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 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 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 FTTx destacam-se GPON e EPON:
    • GPON: usa fibra ótica passiva, com taxas típicas de até 2.5 Gbps e facilidades para condicionamento de tráfego. Segue o GPON: padrão ITU-T G.984].
    • 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)
  • 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
  • VDSL: esta versão turbinada do ADSL pode ser usada combinada com GPON para atender clientes de um condomínio
  • MetroEthernet: disponibiliza enlaces Ethernet adaptados para longas distâncias
  • 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 esta linha de produtos de um fabricante da Grande Florianópolis)


Pji3-Tecnologias-acesso.jpg
Tecnologias de acesso (obtido desta fonte)


No caso do provedor em implantação nesta disciplina, é útil avaliar quais tecnologias podem ser usadas. Inicialmente vale revisar o que os 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.


Wlan1.png


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.

Wlan2.png


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.

Wlan-canais.png

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:

PJI3-Wifi-5ghz.jpg

Sistemas de Distribuição

Uma 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:


80211-ds.png


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.


80211-ds2.png


Sistemas de distribuição podem ser implantados usando o próprio canal sem-fio, sendo assim denominados WDS (Wireless Distribution System).

Pji3-80211-wds.png


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).

80211-freq-planning.png


Desta forma, podem-se criar BSS para cobrir uma área e aproveitar melhor a capacidade do meio de transmissão.

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.

80211-ranges-rates.png
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 "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/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.

Wlan-ack.png
Envio de um quadro de dados, com subsequente reconhecimento (ACK)


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 (15 para IEEE 802.11a/g/n e 31 para 802.11b) a (1023), e praticamente dobra a cada retransmissão de um mesmo quadro. A figura abaixo ilustra as janelas de contenção para retransmissões sucessivas.

Wlan-backoff.png
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 ...).

Wlan-csmaca.png


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.


Wlan-frame.png

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