Ethernet (IEEE 802.3) Faculdade de Tecnologia Senac Pelotas

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1 Ethernet (IEEE 802.3) Faculdade de Tecnologia Senac Pelotas
Curso Superior de Tecnologia em Redes de Computadores Prof. Eduardo Maroñas Monks Unidade Curricular - Redes I Ethernet (IEEE 802.3)

2 Sumário Camada de Enlace de Dados Redes Ethernet Referências

3 Camada de enlace: introdução
Algumas terminologias:  Hospedeiros e roteadores são nós Canais de comunicação que conectam nós adjacentes ao longo do caminho de comunicação são enlaces  Enlaces com fio  Enlaces sem fio  LANs  Pacote de camada-2 é um quadro, encapsula o datagrama A camada de enlace tem a responsabilidade de transferir um datagrama de um nó para o nó adjacente sobre um enlace.

4 Serviços da camada de enlace
Enquadramento, acesso ao enlace:  Encapsula datagramas em quadros acrescentando cabeçalhos e trailer  Implementa acesso ao canal se o meio é compartilhado  “Endereços físicos” usados nos cabeçalhos dos quadros para identificar a fonte e o destino dos quadros  Diferente do endereço IP! Entrega confiável entre dois equipamentos fisicamente conectados:  Já aprendemos como isso deve ser feito (Capítulo 3)!  Raramente usado em enlaces com baixa taxa de erro (fibra, alguns tipos de par de fios trançados de cobre)  Enlaces sem fio (wireless): altas taxas de erro

5 Serviços da camada de enlace
 Controle de fluxo:  Limitação da transmissão entre transmissor e receptor  Detecção de erros:  Erros causados pela atenuação do sinal e por ruídos  O receptor detecta a presença de erros:  Avisa o transmissor para reenviar o quadro perdido  Correção de erros:  O receptor identifica e corrige o bit com erro(s) sem recorrer à retransmissão  Half-duplex e full-duplex Com half-duplex, os nós em ambas as extremidades do enlace podem transmitir, mas não ao mesmo tempo Full-Duplex, ambos os nós podem transmitir simultaneamente

6 Comunicação de adaptadores
 Camada de rede implementada no “adaptador” (isto é, NIC)  Cartão Ethernet, cartão PCMCI, cartão  Lado transmissor:  Encapsula o datagrama em um quadro  Adiciona bits de verificação de erro, rdt, controle de fluxo etc.  Lado receptor  Procura erros, rdt, controle de fluxo etc.  Extrai o datagrama, passa para o lado receptor  Adaptador é semi-autônomo  Camadas de enlace e física

7 Checksum da Internet Objetivo: detectar “erros” (ex.: bits trocados) num segmento transmitido (nota: usado apenas na camada de transporte) Transmissor:  Trata o conteúdo de segmentos como seqüências de números inteiros de 16 bits  Checksum: adição (soma em complemento de um) do conteúdo do segmento  Transmissor coloca o valor do checksum no campo checksum do UDP Receptor:  Computa o checksum do segmento recebido  Verifica se o checksum calculado é igual ao valor do campo checksum:  NÃO — erro detectado  SIM — não detectou erro. Mas talvez haja erros apesar disso? Depois…. Exemplo de utilitário para verificação de integridade -

8 Enlaces de acesso múltiplo e protocolos
Dois tipos de enlaces:  Ponto-a-ponto (fio único, ex.: PPP, SLIP)  Broadcast (fio ou meio compartilhado);  Ethernet tradicional  Upstream HFC  LAN sem fio The Point-to-Point Protocol (PPP) – RFC

9 Protocolos de acesso múltiplo
 Canal de comunicação único e compartilhado  Duas ou mais transmissões simultâneas pelos nós: interferência  Colisão se um nó receber dois ou mais sinais ao mesmo tempo  Protocolo de múltiplo acesso:  Algoritmo distribuído que determina como as estações compartilham o canal, isto é, determinam quando cada estação pode transmitir  Comunicação sobre o compartilhamento do canal deve utilizar o próprio canal!  Nenhum canal fora-de-banda para coordenação

10 Protocolos de acesso aleatório
 Quando o nó tem um pacote a enviar:  Transmite com toda a taxa do canal R.  Não há uma regra de coordenação a priori entre os nós  Dois ou mais nós transmitindo -> “colisão”,  Protocolo MAC de acesso aleatório determina:  Como detectar colisões  Como as estações se recuperam das colisões (ex., via retransmissões atrasadas)  Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório:  slotted ALOHA  ALOHA  CSMA e CSMA/CD

11 CSMA: Carrier Sense Multiple Access
CSMA: escuta antes de transmitir:  Se o canal parece vazio: transmite o pacote  Se o canal está ocupado, adia a transmissão  Analogia humana: não interrompa os outros!

12 CSMA/CD (detecção de colisão)
CSMA/CD: detecção de portadora, deferência como no CSMA  Colisões detectadas num tempo mais curto  Transmissões com colisões são interrompidas, reduzindo o desperdício do canal Detecção de colisão: Fácil em LANs cabeadas: medição da intensidade do sinal, comparação dos sinais transmitidos e recebidos  Difícil em LANs sem fio: receptor desligado enquanto transmitindo  Analogia humana: o “bom de papo” educado Em transmissão full-duplex, o CSMA/CD não é necessário!

13 Endereços de LAN e ARP Endereços IP de 32-bit:
 Endereços da camada de rede  Usados para levar o datagrama até a rede de destino (lembre-se da definição de rede IP) Endereço de LAN (ou MAC ou físico):  Usado para levar o datagrama de uma interface física a outra fisicamente conectada com a primeira (isto é, na mesma rede)  Endereços MAC com 48 bits (na maioria das LANs) gravados na memória fixa (ROM) do adaptador de rede

14 Endereços de LAN (mais)
 A alocação de endereços MAC é administrada pelo IEEE  O fabricante compra porções do espaço de endereço MAC (para assegurar a unicidade)  Analogia: (a) endereço MAC: semelhante ao número do RG (b) endereço IP: semelhante a um endereço postal Endereçamento MAC é “flat” => portabilidade  É possível mover uma placa de LAN de uma rede para outra sem reconfiguração de endereço MAC Endereçamento IP “hierárquico” => NÃO portável  Depende da rede na qual se está ligado

15 Questão: como determinar o endereço MAC de B, dado o endereço IP de B?
ARP: Address Resolution Protocol (Protocolo de resolução de endereços) Questão: como determinar o endereço MAC de B, dado o endereço IP de B?  Cada nó IP (hospedeiro, roteador) numa LAN tem um módulo e uma tabela ARP  Tabela ARP: mapeamento de endereços IP/MAC para alguns nós da LAN < endereço IP; endereço MAC; TTL> < IP address; MAC address; TTL>  TTL (Time To Live): tempo depois do qual o mapeamento de endereços será esquecido (tipicamente 20 min)

16 ARP (Address Resolution Protocol)
(Protocolo de resolução de endereços) ARP (Address Resolution Protocol) Protocolo responsável por encontrar o endereço MAC correspondente ao endereços IP Utiliza transmissões em broadcast Necessário na comunicação de hosts locais (diretamente conectados) e entre hosts em diferentes redes (gateway)

17 Protocolo ARP Destino na mesma LAN Destino em outra LAN

18 Ethernet (padrão IEEE 802.3)
Tecnologia de rede local “dominante” :  Barato R$20 por 100 Mbit/s!  Primeira tecnologia de LAN largamente usada  Mais simples e mais barata que LANs com token e ATM  Velocidade crescente: 10 Mbit/s – 10 Gbit/s (40Gbit/s e 100Gbit/s) esboço da Ethernet por Bob Metcalfe

19 Ethernet - Exemplo

20 Ethernet – Histórico dos padrões
Padrão Ano Função Exp. Ethernet 1972 2,94 Mbit/s - barramento de cabo coaxial Ethernet II (DIX V.2.0) 1982 10 Mbit Ethernet – cabo coaxial fino (DIX – Digital, Intel, Xerox) IEEE 802.3 1983 10BASE5 (10Mbit/s) cabo coaxial grosso (cabeçalho LLC, segue ao cabeçalho 802.3) IEEE 802.3a 1985 10BASE2 - Chipernet IEEE 802.3b 10BROAD36 IEEE 802.3c 10Mbit/s repeater specification IEEE 802.3d 1987 FIORL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) IEEE 802.3e 1BASE5 Star LAN IEEE 802.3i 1990 10BASE-T – 10Mbit/sover twisted pair IEEE 802.3j 1993 10BASE-F – 10Mbit/s over Fiber-Optic IEEE 802.3u 1995 100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX, Fast Ethernet, Auto sense IEEE 802.3x 1997 Full Duplex and Flow control (também acaba com frames DIX) IEEE 802.3y 1998 100BASE-T2, 100Mbit/s over low quality twisted pair IEEE 802.3z 1000Base-X, 1Gbit/s Ethernet over Fiber-Optic IEEE Revisão do Padrão incorporando todas atualizações e erros acima

21 Ethernet - – Histórico dos padrões
IEEE 802.3ab 1998 1000BASE-T, 1Gbit/s sobre par trançado IEEE 802.3ac 1999 Tamanho máximo do Frame estendido para 1522 para permitir Q-tag que inclui informação do 802.1Q VLAN e prioridade do 802.1p IEEE 802.3ad 2000 Agregação paralela de enlaces (Link aggregation) IEEE 2002 Revisão do Padrão incorporando todas atualizações e erros acima IEEE 802.3ae 2003 10Gbit/s Ethernet over Fibre, 10BASE-SR (-LR, -ER, –SW, -LW, -EW) IEEE 802.3af Power over Ethernet IEEE 802.3ah 2004 Ethernet in the First (or last) mile IEEE 802.3ak 10BASE-CX4, 10Gbit/s over twin coaxial cable IEEE 2005 IEEE 802.3an 2006 10GBASE-T, 10Gbit/s over UTP (unshielded twisted pair) IEEE 802.3ap Exp. Backplane Ethernet over printed circuit boards (1 ou 10 Gbit/s) IEEE 802.3aq 10GBASE-LRM, 10 Gbit/s Ethernet over multimode fiber IEEE 802.3ar Congestion Management IEEE 802.3as Frame Expansion IEEE 802.3at Power over Ethernet enhancements IEEE 802.3au Isolation Requeriments for power over Ethernet IEEE 802.3av Estdo. 10 Gbit/s EPON (Ethernet Passive Optical Network)

22 Topologia em estrela  Topologia de bus popular em meados dos anos 90
 Agora a topologia em estrela prevalece  Opções de conexão: hub ou switch (mais adiante)

23 Estrutura do quadro Ethernet
Adaptador do transmissor encapsula o datagrama IP (ou outro pacote de protocolo da camada de rede) num quadro Ethernet Preâmbulo: 7 bytes com padrão seguido por um byte com padrão usado para sincronizar as taxas de relógio do transmissor e do receptor

24 Estrutura do quadro Ethernet
Endereços: 6 bytes  Se o adaptador recebe um quadro com endereço de destino coincidente ou com endereço de broadcast (ex., pacote ARP), ele passa o dado no quadro para o protocolo da camada de rede  Tipo: indica o protocolo da camada superior; geralmente é o protocolo IP, mas outros podem ser suportados, tais como Novell IPX e AppleTalk)  CRC: verificado no receptor; se um erro é detectado, o quadro é simplesmente descartado Lista de OUI (IETF) - Busca por fabricante de MAC -

25 Estrutura do quadro Ethernet
Tamanho mínimo de quadro: 64 Bytes Tamanho máximo de quadro: 1518 Bytes O tamanho máximo do quadro pode chegar a 1522 Bytes com o uso de VLANs

26 Estrutura do quadro Ethernet
Tipos de quadros Unicast 1 para 1 Broadcast 1 para todos Multicast 1 para um grupo Distribuição de tamanhos Máximo: 1518 Bytes Mínimo: 64 Bytes

27 Tipos de Transmissão Broadcast Endereço MAC: FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todos os hosts ligados na mesma rede (mesmo domínio de broadcast) receberão o quadro. Endereço MAC: FF-FF-FF-FF-FF-FF Use graphic Use graphic 27

28 Tipos de Transmissão Multicast
Permite o envio de pacotes para um grupo de hosts Representação na camada de rede: até Usa um endereço MAC especial que começa com E O final do valor é montado usando os últimos 23 bits do IP do grupo de multicast (RFC 1112) O último bit do endereço é sempre 0 Use graphic Use graphic RFC 1112 – Host extensions for IP Multicasting - IP – MAC Calculator - 28

29 Ethernet usa CSMA/CD  Sem slots  Adaptador não transmite se ele detectar algum outro adaptador transmitindo, isto é, carrier sense  O adaptador transmissor aborta quando detecta outro adaptador transmitindo, isto é, collision detection  Antes de tentar uma retransmissão, o adaptador espera um período aleatório, isto é, random access

30 Algoritmo CSMA/CD da Ethernet
1. O adaptador recebe um datagrama da camada de rede e cria um quadro. 2. Se o adaptador detecta um canal livre, ele começa a transmitir o quadro. Se ele detecta o canal ocupado, espera até ele ficar livre e então transmite. 3. Se o adaptador transmite o quadro todo sem detectar outra transmissão, sua missão com esse quadro está cumprida! 4. Se o adaptador detecta outra transmissão enquanto transmite, ele aborta e envia um jam signal. 5. Após abortar, o adaptador entra em exponential backoff: após a m-ésima colisão, o adaptador escolhe um K aleatório de {0,1,2,…,2m-1}. O adaptador espera K·512 tempos de bit e retorna ao passo 2.

31 Ethernet CSMA/CD Jam signal: garante que todos os outros transmissores estão cientes da colisão; 48 bits; Bit time: 0,1 microsseg para Ethernet de 10 Mbps; para K = 1023, o tempo de espera é cerca de 50 mseg Exponential backoff:  Objetivo: adaptar tentativas de retransmissão para carga atual da rede  Carga pesada: espera aleatória será mais longa  Primeira colisão: escolha K entre {0,1}; espera é K x 512 tempos de transmissão de bit  Após a segunda colisão: escolha K entre {0, 1, 2, 3}…  Após 10 ou mais colisões, escolha K entre {0, 1, 2, 3, 4,…,1023} Applet CSMA/CD:

32 Autonegociação (NWay)
Negocia parâmetros tais como velocidade, tipo de transmissão e controle de fluxo Reside na camada física Utiliza o protocolo NLP (Normal Link Pulses) para a negociação de parâmetros Prioridade das configurações negociadas: 1000BASE-T full duplex 1000BASE-T half duplex 100BASE-T2 full duplex 100BASE-TX full duplex 100BASE-T2 half duplex 100BASE-T4 100BASE-TX half duplex 10BASE-T full duplex 10BASE-T half duplex Podem ocorrer problemas de ajustes entre Half-duplex e Full-Duplex (Duplex Mismatch)

33 Auto MDI/MDI-X Por meio de detecção automática, a interface descobre se o cabo remoto é reto ou cruzado É o padrão atualmente em switches, roteadores, access points e etc. Se não houver o auto MDI/MDI-X, deverá ser feito o ajuste manual com um cabo crossover ou reto Nos primeiros hubs e switches, haviam portas especiais chamadas de uplink para fazer o cascateamento devido a não existir o recurso do Auto MDI/MDI-X

34 Camada Física As diferenças entre os padrões Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet e 10 Gigabit Ethernet ocorrem na camada física O Ethernet é coberto pelo padrões IEEE 802.3 São 4 taxas de transmissão de dados definidas para uso com fibra ótica e para trançado: 10 Mbps - 10Base-T 100 Mbps - Fast Ethernet 1000 Mbps - Gigabit Ethernet 10 Gbps - 10 Gigabit Ethernet Use graphic Use graphic 34

35 10 Mbps Ethernet Implementações principais:
10BASE5 usando cabo coaxial grosso (Thicknet) em topologia de barramento 10BASE2 usando cabo coaxial fino (Thinnet) em topologia de barramento 10BASE-T usando cabeamento par trançado em topologia estrela 10 Mbps Ethernet - 10BASE-T As primeiras implementações usavam cabeamento categoria 3 Utiliza dois pares, dos quatro existentes, para a comunicação Par 1 e 2 para transmissão Par 3 e 6 para recepção Utiliza a codificação Manchester para a representação dos bits Alcance de 100 metros, que podem ser aumentados com o uso de switches, hubs ou repetidores. Quando conectado a um switch pode operar em full-duplex ou half-duplex Em hubs somente em half-duplex Use graphic Use graphic Simulador da codificação Manchester - 35

36 100BASE-TX (Cat5 ou superior)
100 Mbps Fast Ethernet As implementações mais comuns são: 100BASE-TX (Cat5 ou superior) Utiliza dois pares em cabos trançados ou duas fibras óticas formando um par (TX/RX) Usa a mesma pinagem do 10BASE-T Os bits são representados com a codificação 4B/5B Usa uma topologia estrela, tal como o 10BASE-T 100BASE-FX (fibra ótica) Usa o mesmo tipo de sinalização do 100BASE-TX em fibra ótica ao invés de par trançado A forma de transmissão na fibra se dá por pulsos luminosos ao invés de elétricos São utilizados conversores para adaptar a fibra ótica a rede em par trançado Use graphic Use graphic Simulador da codificação 4B/5B - 36

37 1000BASE-T Ethernet Utiliza os 4 pares para prover comunicação em full-duplex com cabeamento categoria 5e ou superior Transmite 125 Mbit/s por par, chegando a 500 Mbit/s em 4 pares Cada par é sinalizado em full-duplex, chegando ao 1000Mbit/s Utiliza a codificação 4D-PAM5 para a representação de bits Iperf Dell Power Connect Use graphic Use graphic 37

38 1000BASE-T Ethernet Cabo crossover em 1000BASE-T Use graphic 1.1.1.1
38

39 Todas as versões do 1000BASE-SX e 1000BASE-LX possuem:
A representação dos bits se dá pelo uso da codificação 8B/10B As principais diferenças entre o SX e LX estão no tipo de mídia, conectores e o tamanho de onda do sinal ótico O padrão LX alcança distâncias maiores sem repetição de sinal Faz uso de conversores padrão GBIC (miniGBIC) Use graphic Use graphic 39

40 Ethernet – Opções Futuras
O padrão IEEE 802.3ae foi adaptado para incluir 10 Gbit/s em fibra ótica O uso é para rede do tipo WAN e MAN Em comparação com os demais tipos de redes ethernet, o 10Gbit/s possui: O formato do quadro é o mesmo Houveram adptações para o uso de fibras de 40 Km e interoperabilidade com outros tipos de tecnologias de fibra Velocidades futuras O IEEE e a 10-Gigabit Ethernet Alliance estão trabalhando na padronização do 40, 100 e 160 Gbit/s Use graphic Use graphic 40

41 Hubs Hubs são essencialmente repetidores de camada física:
Bits que chegam de um enlace se propagam para todos os outros enlaces Com a mesma taxa de transmissão em todas as portas (10 ou 100 Mbit/s) Transmissões em Half-Duplex Não possuem armazenagem de quadros Não há CSMA/CD no hub: adaptadores detectam colisões

42 Interconexão com hubs  Hub de backbone interconecta segmentos de LAN
 Estende a distância máxima entre os nós  No entanto, domínios de colisão individuais tornam-se um único e grande domínio de colisão  Não pode interconectar 10BaseT e 100BaseT

43 Switch  Armazena e encaminha quadros Ethernet
 Dispositivo de camada de enlace  Armazena e encaminha quadros Ethernet  Examina o cabeçalho do quadro e seletivamente encaminha o quadro baseado no endereço MAC de destino  Quando um quadro está para ser encaminhado no segmento, usa CSMA/CD para acessar o segmento  Transparente  Hospedeiros são inconscientes da presença dos switches  Plug-and-play, self-learning (auto-aprendizado)  Switches não precisam ser configurados

44 Encaminhamento  Como determinar para qual segmento da LAN encaminhar o quadro?  Parece um problema de roteamento...

45 Self learning (auto-aprendizado)
 Um switch possui uma tabela de switch Entrada na tabela do switch:  (endereço MAC, interface, marca de tempo)  Entradas expiradas na tabela são descartadas (TTL pode ser 60 min) Switch aprende quais hospedeiros podem ser alcançados através de suas interfaces  Quando recebe um quadro, o switch “aprende” a localização do transmissor: segmento da LAN que chega  Registra o par transmissor/localização na tabela

46 Filtragem/encaminhamento
Quando um switch recebe um quadro: indexa a tabela do switch usando end. MAC de destino if entrada for encontrada para o destino then{ if dest. no segmento deste quadro chegou then descarta o quadro else encaminha o quadro na interface indicada } else flood Encaminha para todas as interfaces, exceto para aquela em que o quadro chegou

47 Switch: exemplo Suponha que C envia um quadro para D
endereço interface switch 1 A B E G 1 2 3 2 3 hub hub A hub I D F B G C H E  Switch recebe o quadro de C  Anota na tabela que C está na interface 1  Como D não está na tabela, o switch encaminha o quadro para as interfaces 2 e 3  Quadro recebido por D

48 Switch: exemplo Suponha que D responde com um quadro para C.
endereço interface switch A B E G C 1 2 3 hub hub A hub I D F B G C H E  Switch recebe quadro de D  Anota na tabela que D está na interface 2  Como C está na tabela, o switch encaminha o quadro apenas para a interface 1  Quadro recebido por C

49 Switch: isolamento de tráfego
 A instalação do switch quebra as sub-redes em segmentos de LAN  Switch filtra pacotes:  Alguns quadros do mesmo segmento de LAN não são usualmente encaminhados para outros segmento de LAN  Segmentos se tornam separados em domínios de colisão hub switch domínio de colisão domínio de colisão domínio de colisão

50 Switches: acesso dedicado
 Switch com muitas interfaces  Hospedeiros possuem conexão direta ao switch  Sem colisões; full-duplex Switching: A-para-A’ e B-para-B’, simultaneamente, sem colisões

51 Mais sobre switches  Ligeira redução na latência
 Cut-through switching: quadro encaminhado da porta de entrada até a porta de saída sem ter de primeiro coletar o quadro todo  Ligeira redução na latência  Combinações de interfaces 10/100/1000 Mbps compartilhadas/dedicadas Comparativo de Switches cut-through de 10G:

52 IEEE 802.3af (Power over Ethernet)
Permite transmissão de energia elétrica juntamente com os dados para um dispositivo remoto, através do cabo de par trançado padrão Usado com injetores ou switches com portas PoE Dispositivos de baixa potência (48V e 350mA) Access points Rádios Telefones VoIP Câmeras

53 Redes corporativas

54 Switches vs. roteadores
 Ambos são dispositivos store-and-forward  Roteadores: dispositivos de camada de rede (examinam cabeçalhos da camada de rede)  Switches são dispositivos da camada de enlace  Roteadores mantêm tabelas de roteamento, implementam algoritmos de roteamento  Switches mantêm tabelas de switch, implementam filtragem, algoritmos de aprendizagem

55 Resumo: comparação hubs roteadores switches Isolamento de tráfego não
sim plug & play roteamento ótimo cut through

56 Referências Charles Spurgeon's Ethernet (IEEE 802.3) Site - The Ethernets: Evolution from 10 to Mbps - ftp://ftp.iol.unh.edu/pub/gec/training/ethernet_evolution.pdf PETERSON, L; DAVIE, B. Redes de Computadores – Uma Abordagem de Sistemas. 3ª Ed. Campus, 2004. KUROSE, J; ROSS, K. Redes de Computadores e a Internet – Uma Abordagem top-down. 3ª Ed. Pearson, 2006. TANENBAUM, A. Redes de Computadores. 4ª Ed. Campus, 2003. CISCO, Curso Oficial CCNA – Módulo 1

57 Referências Evolution of Ethernet -
Linha do tempo – Ethernet – Ethernet History - Computer History Museum - Networking