RCO20704-2014-1

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CSTTel: Redes de Computadores II - Diário de Aulas 2014-1

Professor: Arliones Hoeller
Turma: 20704
Encontros: segundas e quintas às 9:40.
Atendimento paralelo: segundas às 13:30 e quintas às 8:25.
Plano de Ensino

Este curso é inspirado no modelo adotado pelo Prof. Sobral em edições anteriores.

Bibliografia

  • Livros sobre Redes de Computadores:
    • KUROSE, James F. e ROSS, Keith W. Redes de computadores e a Internet, Uma abordagem Top-Down. 5a edição. Editora Addison Wesley SP, 2010.
    • FOROUZAN, Behrouz. Comunicação de Dados e Redes de Computadores, 3a/4a edicão. Editora Bookman, 2004.
    • STALLINGS, W. Redes e sistemas de comunicação de dados. Editora Elsevier RJ, 2005.
    • TANENBAUM, Andrew S. Redes de Computadores, tradução da quarta edição. Editora Campus RJ, 2003
    • GALLO, Michael A. E HANCOCK Wiliam M. Comunicação entre computadores e tecnologia de rede. Ed. Pioneira Thomson Learning SP, 2003.
    • COMMER, Douglas E. Redes de Computadores e Internet – 2a edição. Editora Bookman, Porto Alegre, 2001

Plano de Aulas

Aula Data Horas Conteúdo Recursos
1 10/2 2 Apresentação da disciplina; revisão de redes I. Lab. Redes I
2 13/2 2 LANs (redes locais): características, tecnologias, topologias. Lab. Redes I
3 17/2 2 LANs: arquitetura IEEE 802, protocolos de acesso ao meio (MAC) Lab. Redes I
4 20/2 2 LANs: interligação de redes locais, tecnologias de switches, segmentação de LANs. Lab. Redes I
5 24/2 2 LANs: interligação de redes locais, tecnologias de switches, segmentação de LANs. Lab. Redes I
6 27/2 2 TCCs Lab. Redes I
7 6/3 2 LANs: interligação de redes locais, tecnologias de switches, segmentação de LANs. Lab. Redes I
8 10/3 2 LANs: interligação de redes locais, tecnologias de switches, segmentação de LANs. Lab. Redes I
9 13/3 2 LANs: redes locais virtuais (VLANs) IEEE 802.1q Lab. Redes I
10 17/3 2 LANs: redes locais virtuais (VLANs) IEEE 802.1q Lab. Redes I
11 20/3 2 LANs: redes locais virtuais (VLANs) IEEE 802.1q Lab. Redes I
12 24/3 2 LANs: protocolo STP Lab. Redes I
13 27/3 2 Revisão e Trabalho Lab. Redes I
14 31/3 2 Avaliação 1 Lab. Redes I
15 3/4 2 Redes sem-fio: características, padrão IEEE 802.11 Lab. Redes I
16 7/4 2 Redes sem-fio IEEE 802.11: controle de acesso ao meio CSMA/CA Lab. Redes I
17 10/4 2 Redes sem-fio IEEE 802.11: controle de acesso ao meio CSMA/CA; desempenho estimado Lab. Redes I
18 14/4 2 Redes sem-fio IEEE 802.11: estrutura de redes sem-fio: redes infraestruturadas. Lab. Redes I
19 17/4 2 Redes sem-fio IEEE 802.11: redes ad hoc e mesh Lab. Redes I
20 24/4 2 Redes sem-fio IEEE 802.11: segurança (WPA) Lab. Redes I
21 28/4 2 Redes sem-fio IEEE 802.11: segurança (WPA) Lab. Redes I
22 5/5 2 Redes sem-fio IEEE 802.11: revisão Lab. Redes I
23 8/5 2 Avaliação 2 Lab. Redes I
24 12/5 2 WAN (redes de longa distância): introdução, tecnologias de acesso Lab. Redes I
25 15/5 2 WAN: tecnologias de acesso, enlaces ponto-a-ponto com protocolos PPP e HDLC Lab. Redes I
26 19/5 2 WAN: enlaces PPP e HDLC Lab. Redes I
27 22/5 2 WAN: detecção e controle de erros em enlaces ponto-a-ponto Lab. Redes I
28 26/5 2 WAN: detecção e controle de erros em enlaces ponto-a-ponto Lab. Redes I
29 29/5 2 WAN: enlaces físicos, modems Lab. Redes I
30 2/6 2 WAN: modems e interfaces digitais Lab. Redes I
31 5/6 2 WAN: modems e interfaces digitais Lab. Redes I
32 9/6 2 WAN: enlaces ADSL e seus componentes, protocolo PPPoE Lab. Redes I
33 12/6 2 WAN: comutação de circuitos virtuais; Frame Relay Lab. Redes I
34 16/6 2 WAN: comutação de circuitos virtuais; Frame Relay Lab. Redes I
35 23/6 2 WAN: MPLS Lab. Redes I
36 26/6 2 WAN: MPLS Lab. Redes I
37 30/6 2 WAN: MPLS Lab. Redes I
38 3/7 2 Avaliação 3 Lab. Redes I
39 7/7 2 Revisão para recuperação Lab. Redes I
40 10/7 2 Recuperação Lab. Redes I
TOTAL 80

Avaliação

A avaliação do aprendizado será realizada através de uma prova teórica e um trabalho prático para cada uma das três partes da disciplina (LANs, Redes sem fio, WANs). Será considerado aprovado o aluno que demonstrar ter adquirido as competências e habilidades suficientes em cada avaliação (ou seja, no mínimo C). Ao final do semestre será oferecida a possibilidade de recuperação de notas aos alunos através da reaplicação de prova teórica dos conteúdos nos quais não tenha sido atingido conceito C.

Diário de Aulas

10/02: Apresentação da disciplina e revisão de redes I

13/02: LANs (redes locais): características, tecnologias, topologias.

  • Capítulo 13 do livro "Comunicação de Dados e Redes de Computadores", de Berhouz Forouzan
  • Capítulo 5 do livro "Redes de Computadores e a Internet", de James Kurose.
  • Capítulo 4 do livro "Redes de Computadores", de Andrew Tanenbaum

Lembrando Redes de Computadores da 3a fase ...

Em RCO1 foi estudado o assunto Arquitetura de Redes com ênfase na Internet. A figura abaixo resume a arquitetura em camadas usada para representar o funcionamento de sistemas em uma rede de computadores. Cada camada representa uma certa funcionalidade necessária para a comunicação, e apresenta um ou mais protocolos que participam dessa tarefa.

Osi-tcpip-rco2.png


O foco da disciplina RCO2 é a infra-estrutura de rede, representada pelas camadas Internet e Acesso a rede no modelo TCP/IP (ou camadas Rede e inferiores no modelo OSI). Ela diz respeito ao conjunto de equipamentos, links, protocolos e tecnologias empregados para construir uma rede de computadores. Essa rede pode ser assim usada para que sistemas finais consigam se comunicar, tais como computadores de usuários, servidores, smartphones, e quaisquer outros dispositivos que produzam ou consumam dados. Desta forma, em RCO2 estudaremos como escolher tecnologias, selecionar e configurar equipamentos, e interligá-los para construir redes de computadores.

Nosso ponto de partida serão pequenas redes compostas por uma ou mais redes locais (LANs) que se interligam, incluindo conexão para a Internet. Em cada rede investigaremos seu funcionamento, incluindo as configurações da subrede IP e os equipamentos usados.


Rede1-IER.png
Figura 1: uma pequena rede local (LAN) com conexão para Internet


Rede2-IER.png
Figura 2: duas redes locais (LAN) interligadas por um enlace de longa distância (WAN)


Conceitos necessários para realizar os exercícios:

  • Endereços IP e máscaras de rede
  • Rotas estáticas
  • Interfaces de rede

Ferramentas de apoio ao estudo

Uma limitação que temos está na pouca quantidade de equipamentos para as atividades em laboratório. Para atenuar esse problema, podem-se usar softwares que simulem redes. Existe um software desses em particular, chamado Netkit, que possibilita criar redes virtuais. Essas nada mais são que máquinas virtuais interligadas com switches e links seriais virtuais (isso é, tudo feito por software mas funciona como se fosse de verdade). Com ele se podem criar redes compostas por máquinas virtuais Linux, que são conectadas por links ethernet e PPP. Todos os cenários que usaremos em nosso estudo (com exceção das configurações de modems), poderiam ser reproduzidos com esse software. Existe um guia de instalação e uso publicado na wiki:

Esse guia contém uma coleção de exemplos, para que tenham ideia do que se pode fazer com o Netkit.

O Netkit fica assim como opção para complementar o estudo. Ele funciona como um laboratório de redes, em que se podem criar redes como aquelas que vemos em aula e mesmo inventar novas redes. Seu uso se destina a fixar conceitos, para que o uso dos equipamentos reais seja facilitado.

Além do Netkit, o seguinte simulador de roteamento IP, que roda dentro do próprio navegador, pode ajudá-los a exercitar a divisão de subredes e a criação de rotas estáticas.

Exercícios

1. Usando o Netkit crie as seguintes redes. Não esqueça de definir as rotas estáticas.

Rede1-1.png

Arquivo do experimento 
pc1[type]=generic
pc2[type]=generic
pc3[type]=generic
r1[type]=gateway
r2[type]=gateway

pc1[eth0]=link0:ip=192.168.0.1/24
pc2[eth0]=link1:ip=192.168.1.2/24
pc3[eth0]=link2:ip=192.168.2.3/24

r1[eth0]=link0:ip=192.168.0.254/24
r1[eth1]=link1:ip=192.168.1.254/24

r2[eth0]=link0:ip=192.168.0.253/24
r2[eth1]=link2:ip=192.168.2.254/24

pc1[default_gateway]=192.168.0.254
pc2[default_gateway]=192.168.1.254
pc3[default_gateway]=192.168.2.254

r1[route]=192.168.2.0/24:gateway=192.168.0.253
r2[route]=192.168.1.0/24:gateway=192.168.0.254


Rco2-Rede-intro2.png

Arquivo do experimento 
pc1[type]=generic
pc2[type]=generic
pc3[type]=generic
pc4[type]=generic
r1[type]=gateway
r2[type]=gateway
r3[type]=gateway
r4[type]=gateway

pc1[eth0]=lan1:ip=192.168.1.1/24
pc2[eth0]=lan2:ip=192.168.2.1/24
pc3[eth0]=lan3:ip=192.168.3.1/24
pc4[eth0]=lan4:ip=192.168.4.1/24

r1[eth0]=lan1:ip=192.168.1.254/24
r1[eth1]=lan2:ip=192.168.2.254/24

r2[eth0]=lan2:ip=192.168.2.254/24
r2[eth1]=lan3:ip=192.168.3.254/24

r3[eth0]=lan1:ip=192.168.1.254/24
r3[eth1]=lan4:ip=192.168.4.254/24

r4[eth0]=lan3:ip=192.168.3.254/24
r4[eth1]=lan4:ip=192.168.4.254/24


Rco2-Rede-intro3.png

Arquivo do experimento 
pc1[type]=generic
pc2[type]=generic
pc3[type]=generic
pc4[type]=generic
r1[type]=gateway
r2[type]=gateway

pc1[eth0]=lan1:ip=10.0.1.1/26
pc2[eth0]=lan2:ip=192.168.1.1/24
pc3[eth0]=lan3:ip=192.168.2.129/26
pc4[eth0]=lan4:ip=192.168.2.193/26

r1[eth0]=lan1:ip=10.0.1.62/26
r1[eth1]=lan2:ip=192.168.1.254/24

r2[eth0]=lan2:ip=192.168.1.253/24
r2[eth1]=lan3:ip=192.168.2.190/26
r2[eth2]=lan4:ip=192.168.2.254/26

2. Teste a comunicação entre os computadores e roteadores usando o comando ping. Use também o tcpdump ou wireshark para monitorar as interfaces de rede.

17/02: Redes locais (LAN: Local Area Network)

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
  • Capítulo 4 do livro "Redes de Computadores", de Andrew Tanenbaum

Estudo de caso: entendendo a rede do IFSC-SJ

A rede do IF-SC é composta pelas redes dos campi, sendo que o campus Mauro Ramos centraliza os links para os demais campi. Dentre eles, o link para a rede do campus São José tem a capacidade de 1 Gbps. Além disso, o link para a Internet se localiza também no campus Mauro Ramos. A figura abaixo mostra um diagrama simplificado da rede do IF-SC, destacando apenas os campis Mauro Ramos, São José e Continente.


Ifsc.png


Como se pode ver, os campi são interligados por enlaces (links) de longa-distância com alta capacidade de transmissão (1 Gbps). O link para a Internet, provido pelo POP-SC (Ponto de Presença da RNP em SC, mantido pela UFSC) é também de 1 Gbps. Esses links de longa distância asseguram que não existam gargalos entre os campi, possibilitando uma boa vazão entre as redes.

No nosso primeiro projeto, vamos iniciar estudando a estrutura e funcionamento da rede do campus São José. Essa rede é formada por três redes locais, compostas por switches ethernet, servidores, gateways e firewall. O diagrama abaixo apresenta a estrutura geral da rede do nosso campus.


Rede-ifsc-sj.png

Atividade a serem realizadas nas próximas aulas:

  • Observar os equipamentos in-loco: veremos que tipos de equipamentos são usados para manter a estrutura, como são conectados, seus fabricantes e modelos.
  • Criar um modelo reduzido dessa rede usando equipamentos reais: criaremos um modelo usando switches e computadores do laboratório.
  • Investigar as tecnologias empregadas na rede: identificaremos as tecnologias usadas e testaremos sua capacidade de transmissão.


Conceituação sobre Redes Locais (LAN)

Características e pontos-chaves

Obs: obtido de STALLINGS, 2005:

  • Uma LAN consiste de um meio de transmissão compartilhado e um conjunto de hardware e software para servir de interface entre dispositivos e o meio de transmissão, além de regular o acesso ao meio de forma ordenada.
  • As topologias usadas em LANs são anel (ring), barramento (bus), árvore (tree) e estrela (star). Uma LAN em anel consiste de um laço fechado formado por repetidores que possibilitam que dados circulem ao redor do anel. Um repetidor pode funcionar também como um ponto de acesso de um dispositivo. Transmissão geralmente se dá na forma de quadros (frames). As topologias barramento e árvore são segmentos de cabos passivos a que os dispositivos são acoplados. A transmissão de um quadro por um dispositivo (chamado de estação) pode ser escutada por qualquer outra estação. Uma LAN em estrela inclui um nó central onde as estações são acopladas.
  • Um conjunto de padrões definido para LANs especifica uma faixa de taxas de dados e abrange uma variedade de topologias e meios de transmissão.
  • Na maioria dos casos, uma organização possui múltiplas LANs que precisam ser interconectadas. A abordagem mais simples para esse problema se vale de equipamentos chamados de pontes (bridges). Os conhecidos switches Ethernet são exemplos de pontes.
  • Switches formam os blocos de montagem básicos da maioria das LANs (não muito tempo atrás hubs também eram usados).

Algumas tecnologias

  • Ethernet (IEEE 802.3): largamente utilizada hoje em dia, na prática domina amplamente o cenário de redes locais.
  • Token Ring (IEEE 802.5): foi usada nos anos 80 e início dos anos 90, mas está em desuso ... muito difícil de encontrar uma rede local deste tipo hoje em dia.
  • Myrinet: criada especificamente para interligar servidores de alta capacidade de processamento em clusters. Atualmente pouco usada, pois redes ethernet as substituíram em clusters e data centers.
  • 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 1, onde temos nossas aulas, é uma rede local. Os demais computadores da escola formam outra rede local. Quando em casa se instala um roteador ADSL e se conectam a ele um ou mais computadores, cria-se também uma rede local. Portanto, redes locais são extremamente comuns e largamente utilizadas. Ainda assim, cabem alguns outros exemplos de possíveis redes locais, mostrados abaixo:


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)

20/02: Atividade prática

Implementar a rede do segundo experimento com Netkit no laboratório utilizando os novos switches CISCO Catalyst 2960s. Para isto, utilizem o seguinte manual

CISCO Catalyst 2960s - Manual rápido

24/02: Atividade prática

  • Continuação da atividade iniciada na aula anterior.

27/02: Encaminhamento dos alunos para assistir TCCs

06/03: LANs: arquitetura IEEE 802

  • Conclusão da atividade prática iniciada no dia 24/02.

A 1a lista de exercícios já está disponível.


Ethernet.png

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

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


Lan2-2011-1.png
Uma LAN com switches

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


Arquitetura IEEE 802

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

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


Arq-ieee.png

Protocolo de acesso ao meio (MAC)

Parte da camada de enlace na arquitetura IEEE 802, tem papel fundamental na comunicação entre estações. O MAC é responsável por:

  • Definir um formato de quadro onde deve ser encapsulada uma PDU de um protocolo de camada superior.


Quadro-ethernet.png
Quadro ethernet


  • Endereçar as estações, já que o meio de transmissão é multiponto (ver campos Endereço de destino e Endereço de origem no quadro Ethenet).
  • Acessar o meio para efetuar a transmissão de quadros, resolvendo conflitos de acesso quando necessário. Um conflito de acesso (chamado de colisão) pode ocorrer em alguns casos quando mais de uma estação tenta transmitir ao mesmo tempo.


Csma-cd.png
O MAC CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection


Utilização do meio de transmissão em uma rede local com MAC do tipo CSMA/CD

Nesta seção mostra-se como estimar o desempenho do CSMA/CD por meio de experimentos para medir a utilização máxima do meio. Esses experimentos podem ser feitos usando uma rede real, com computadores interligados por hubs, ou com um simulador. Em ambos os casos deve-se fazer com que vários computadores gerem tráfego intenso na rede, e calcular ao final a utilização do meio da seguinte forma:

O total de quadros recebidos pode ser obtido em qualquer um dos computadores.

Experiência com uma rede real

Para fazer com uma rede real:

Experiência com uma rede simulada

Para fazer a experiência pode-se usar também o simulador Omnet++:

  • Instale o Omnet++ 4
  • Instale o modelo INET: 
    # Faz o download do INET Framework (aprox. 23 MB)
wget http://tele.sj.isfc.edu.br/~msobral/RCO2/soft/inet-20100323-src.tgz

# Descompacte o arquivo
tar xzf inet-20100323-src.tar.gz

# Compila o INET
cd inet
make makefiles
make
  • Copie esses arquivos para dentro de inet/examples/ethernet/lans:
    mu.ini
    mu2.ini
    Networks.ned
  • Para executar uma simulação interativa, com animação, faça assim: 
    cd inet/examples/ethernet/lans
./run mu.ini
    ... e escolha um dos modelos para executar.
  • Para executar uma simulação não-interativa, com uma bateria de experimentos que variam a quantidade de estações (2 a 16) e tamanhos de quadros (256, 512 e 1480 bytes), faça assim: 
    cd inet/examples/ethernet/lans
./run -u Cmdenv -c Hub1 mu2.ini
  • Os resultados das simulações estarão em arquivos dentro do subdiretório inet/examples/ethernet/lans/results. Por exemplo, o arquivo Hub1-0.sca contém o resultado da primeira simulação, e parte de seu conteúdo é mostrada abaixo (cada linha contém algum resultado ou estatística da simulação, e o título é auto-explicativo): 
    version 2
run Hub1-1-20100423-09:38:33-7627
attr bytes 256
attr configname Hub1
attr datetime 20100423-09:38:33
attr experiment Hub1
attr inifile mu2.ini
attr iterationvars "$bytes=256, $stations=3"
attr iterationvars2 "$bytes=256, $stations=3, $repetition=0"
attr measurement "$bytes=256, $stations=3"
attr network HubLAN2
attr processid 7627
attr repetition 0
attr replication #0
attr resultdir results
attr runnumber 1
attr seedset 1
attr stations 3

scalar .        bytes   256
scalar .        stations        3
scalar HubLAN2.sta[0].cli       "packets sent"  0
scalar HubLAN2.sta[0].cli       "packets rcvd"  0
scalar HubLAN2.sta[0].cli       "end-to-end delay mean"         0
scalar HubLAN2.sta[0].cli       "end-to-end delay stddev"       nan
scalar HubLAN2.sta[0].cli       "end-to-end delay min"  0
scalar HubLAN2.sta[0].cli       "end-to-end delay max"  0
scalar HubLAN2.sta[0].srv       "packets sent"  0
scalar HubLAN2.sta[0].srv       "packets rcvd"  247453
scalar HubLAN2.sta[0].srv       "end-to-end delay mean"         1.6121223100944
scalar HubLAN2.sta[0].srv       "end-to-end delay stddev"       1.0596723502417
scalar HubLAN2.sta[0].srv       "end-to-end delay min"  0.0002378
scalar HubLAN2.sta[0].srv       "end-to-end delay max"  5.18103003756
scalar HubLAN2.sta[0].llc       "dsaps registered"      1
scalar HubLAN2.sta[0].llc       "packets from higher layer"     0
scalar HubLAN2.sta[0].llc       "frames from MAC"       247453
scalar HubLAN2.sta[0].llc       "packets passed up"     247453
scalar HubLAN2.sta[0].llc       "packets dropped - unknown DSAP"        0
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "simulated time"        60.0001141233
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "txrate (Mb)"   10
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "full duplex"   0
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "frames sent"   0
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "frames rcvd"   247453
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "bytes sent"    0
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "bytes rcvd"    68544481
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "frames from higher layer"      0
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "frames from higher layer dropped (iface down)"         0
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "frames dropped (bit error)"    0
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "frames dropped (not for us)"   0
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "frames passed up to HL"        247453
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "PAUSE frames sent"     0
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "PAUSE frames rcvd"     0
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "frames/sec sent"       0
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "frames/sec rcvd"       4124.2088221947
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "bits/sec sent"         0
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "bits/sec rcvd"         9139246.7499834
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "rx channel idle (%)"   5.937858457565
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "rx channel utilization (%)"    94.031961146038
scalar HubLAN2.sta[0].mac       "rx channel collision (%)"      0.030180396396893
scalar HubLAN2.sta[0].mac       collisions      4825
scalar HubLAN2.sta[0].mac       backoffs        0

O gráfico abaixo foi obtido com esse experimento de simulação:

Csma-perf-sim.png

As simulações tiveram os seguintes parâmetros:

  • Quadros de 256, 512 e 1480 bytes
  • 2 a 45 estações
  • Geração de tráfego por estação com intervalos entre quadros dados por uma distribuição exponencial com média 15*tamanho_quadro_em_bits*0.11us (0.11us é o tempo aproximado de um bit)
Análise de desempenho do CSMA/CD

Uma análise feita no capítulo 4 do livro "Redes de Computadores, 4a ed." de Andrew Tanenbaum fornece a seguinte previsão aproximada de desempenho para o CSMA/CD em uma rede Ethernet a 10 Mbps.

  • Utilização do meio:

  • B: taxa de bits nominal
  • L: comprimento do meio de transmissão
  • c: velocidade de propagação do sinal
  • F: comprimento do quadro

Csma-perf.png

Essa figura mostra curvas para a utilização do meio em função da quantidade de estações prontas para transmitir, e para diferentes tamanhos de quadro. A conclusão é que quadros menores proporcionam desempenho inferior, assim como uma quantidade maior de estações resulta em uma provável menor utilização do meio. No entanto essa análise considera a rede numa situação de carga muito alta, o que não acontece normalmente. Há também algumas simplificações no desenvolvimento da análise, tal como considerar que a probabilidade de retransmissão constante em cada slot, ao invés de analisar o algoritmo de recuo exponencial binário (backoff). Finalmente, esse resultado tem sentido para um meio de transmissão compartilhado, mas a atualmente as redes locais ethernet trabalham com meios de transmissão exclusivos (ethernet comutada e full-duplex, em que não há risco de colisão).

Para fins de comparação, veja os resultados obtidos com uma rede simulada.

TAREFA: Leitura da semana

Leia este texto sobre Fibre Channel, e prepare uma apresentação para a aula de 17/10 (4a feira). Enfatize na sua explicação a arquitetura Fibre Channel, as aplicações que usam essa tecnologia, e suas características.

Alguns outros textos sobre Fibre Channel:


10/03: Finalização do conteúdo anterior

13/03: Interligando redes locais

  • Ver transparências.
  • 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, 5a ed.", de James Kurose.
  • Capítulo 4 do livro "Redes de Computadores, 4a ed.", de Andrew Tanenbaum.


Interligação de LANs (norma IEEE802.1D)

Tecnologias de LAN switches

Switches store-and-forward X cut-through


Algumas animações mostrando o funcionamento de switches store-and-forward e cut-through:


Segmentando redes

A equipe que administra a rede do campus São José vem estudando uma reestruturação dessa rede. Como diferentes setores e públicos a utilizam, e para diferentes propósitos, concluiu-se que seria apropriado segmentá-la em algumas subredes. Isso possibilitaria facilitar o controle de quem usa a rede, além do policiamento do tráfego. Para isso, a subrede geral do campus precisaria ser segmentada inicialmente em cinco novas subredes, denominadas:

Segmento Descrição Subrede IP
Pedagogica Pontos das salas de aula e laboratórios de informática 172.18.32.0/20
Administrativa Pontos de setores administrativos 172.18.16.0/20
DMZ Servidores acessíveis de fora da escola (ex: Wiki, WWW) 200.135.37.64/26
BD Servidores que hospedam bancos de dados (ex: LDAP, MySQL) 172.18.240.0/24
LAN Demais pontos de rede 172.18.0.0/20


A figura abaixo mostra a estrutura proposta para a rede do campus São José, composta pelas cinco novas subredes e as subredes dos laboratórios de Redes 1 e Redes 2. Como se pode observar, o roteador/firewall Cisco ASA 5510 se torna um nó central da rede, pois interliga todas suas subredes (com exceção dos laboratórios de Redes 1 e Redes 2).


Nova-rede-ifsc-sj.png


Existe mais de uma forma de implantar uma estrutura como essa, as quais serão apresentadas nas próximas subseções.

Segmentação física

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 ?

17/03: Interligando redes locais - VLANs

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.

Exemplo: a configuração do Netkit mostrada abaixo cria uma pequena rede composta por um switch e quatro computadores. Além disso, foram definidas duas VLANs (VLAN 5 e VLAN 10). Com isso, os computadores pc1 e pc4 pertencem a VLAN 5, e os computadores pc2 e pc3 estão na VLAN 10. Execute a rede abaixo e teste a comunicação entre os computadores - quais computadores conseguem se comunicar ?. 

sw[type]=switch
pc1[type]=generic
pc2[type]=generic
pc3[type]=generic
pc4[type]=generic

# As portas do switch
sw[eth0]=port0:vlan_untagged=5
sw[eth1]=port1:vlan_untagged=10
sw[eth2]=port2:vlan_untagged=10
sw[eth3]=port3:vlan_untagged=5

# Ligando os computadores ao switch
pc1[eth0]=port0:ip=192.168.0.1/24
pc2[eth0]=port1:ip=192.168.0.2/24
pc3[eth0]=port2:ip=192.168.0.3/24
pc4[eth0]=port3:ip=192.168.0.4/24
Vlans-ex1.png

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 adoataram 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 
switch1[type]=switch
switch2[type]=switch
pc1[type]=generic
pc2[type]=generic
pc3[type]=generic
pc4[type]=gateway
pc5[type]=generic
pc6[type]=generic

pc1[default_gateway]=192.168.0.4
pc2[default_gateway]=192.168.0.4
pc3[default_gateway]=192.168.1.4
pc5[default_gateway]=192.168.1.4
pc6[default_gateway]=192.168.0.4

switch1[eth0]=sw1-port0:vlan_untagged=5
switch1[eth1]=sw1-port1:vlan_untagged=5
switch1[eth2]=sw1-port2:vlan_untagged=10
switch1[eth3]=link-sw1-sw2:vlans_tagged=5,10

switch2[eth0]=sw2-port0:vlans_tagged=5,10
switch2[eth1]=sw2-port1:vlan_untagged=10
switch2[eth2]=sw2-port2:vlan_untagged=5
switch2[eth3]=link-sw1-sw2:vlans_tagged=5,10

pc1[eth0]=sw1-port0:ip=192.168.0.1/24
pc2[eth0]=sw1-port1:ip=192.168.0.2/24
pc3[eth0]=sw1-port2:ip=192.168.1.3/24
pc4[eth0]=sw2-port0:vlans_tagged=(5,ip=192.168.0.4/24),(10,ip=192.168.1.4/24)
pc5[eth0]=sw2-port1:ip=192.168.1.5/24
pc6[eth0]=sw2-port2:ip=192.168.0.6/24

Além do VID, a configuração da porta de um switch deve especificar o modo de operação da VLAN:

  • tagged: 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: 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

Atividade

Na figura abaixo, a rede da esquerda está fisicamente implantada em uma pequena empresa. No entanto, uma reestruturação tem como objetivo modificá-la de acordo com o diagrama mostrado à direita. Essa alteração da rede deve ser feita sem adicionar switches ou modificar o cabeamento (tampouco devem-se mudar as conexões de pontos de rede às portas de switches). Faça essa modificação usando o Netkit.

Vlan-ex1.png

  1. Criar a topologia física:
    sw1[type]=switch
sw2[type]=switch
pc1[type]=generic
pc2[type]=generic
pc3[type]=generic
pc4[type]=generic
pc5[type]=generic
pc6[type]=generic
 
sw1[eth0]=sw1-port0
sw1[eth1]=sw1-port1
sw1[eth2]=sw1-port2
sw1[eth3]=link-sw1-sw2
 
sw2[eth0]=sw2-port0
sw2[eth1]=sw2-port1
sw2[eth2]=sw2-port2
sw2[eth3]=link-sw1-sw2
 
pc1[eth0]=sw1-port0
pc2[eth0]=sw1-port1
pc6[eth0]=sw1-port2

pc3[eth0]=sw2-port0
pc4[eth0]=sw2-port1
pc5[eth0]=sw2-port2
  2. Criar a topologia lógica usando VLANs
    ... isso é com vocês! 
    <syntaxhighlight lang=text>
sw1[type]=switch
sw2[type]=switch
pc1[type]=generic
pc2[type]=generic
pc3[type]=generic
pc4[type]=generic
pc5[type]=generic
pc6[type]=generic
 
sw1[eth0]=sw1-port0:vlan_untagged=1
sw1[eth1]=sw1-port1:vlan_untagged=3
sw1[eth2]=sw1-port2:vlan_untagged=2
sw1[eth3]=link-sw1-sw2
 
sw2[eth0]=sw2-port0:vlan_tagged=1,2,3
sw2[eth1]=sw2-port1:vlan_untagged=3
sw2[eth2]=sw2-port2:vlan_untagged=1
sw2[eth3]=link-sw1-sw2
 
pc1[eth0]=sw1-port0:ip=192.168.1.1/24
pc2[eth0]=sw1-port1:ip=192.168.3.2/24
pc6[eth0]=sw1-port2:ip=192.168.2.6/24

pc3[eth0]=sw2-port0:vlan_tagged=(1,ip=192.168.1.3/24),(2,ip=192.168.2.3/24),(3,ip=192.168.3.3/24)
pc4[eth0]=sw2-port1:ip=192.168.3.4/24
pc5[eth0]=sw2-port2:ip=192.168.1.5/24


20/03: Redes locais e VLANs

A 2a lista de exercícios já está disponível.

...continuando o estudo sobre VLANs.

Voltando à segmentação da rede do campus São José, vamos implantar a nova rede usando VLANs.

Ifsc-sj-simples.png Ier-seta.png Nova-rede-ifsc-sj.png

Primeiro isso será realizado usando o Netkit, e em seguida será implantado no laboratório. Para simplificar a rede, vamos assumir que a topologia física está implantada como mostrado na figura acima, à esquerda.


TAREFA: leitura da semana

O assunto da próxima leitura tem relação com VLANs. Leiam o seguinte texto:

Garp VLAN Registration Protocol

... e preparem-se para apresentá-lo na aula de 4a feira (31/10). Na apresentação mostrem um exemplo baseado nesta rede.

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