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ELEMENTOS DE INTERLIGAÇÃO EM REDES Wilmar Oliveira de Queiroz Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de Computação.

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1 ELEMENTOS DE INTERLIGAÇÃO EM REDES Wilmar Oliveira de Queiroz Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de Computação

2 INTERLIGAÇÃO DE REDES Conexão de 2 ou mais redes distintas Exige algum tipo de dispositivo de rede para efetuar a conexão Cada um atua em sua respectiva camada ? REDE B REDE C REDE A

3 Camada Física: –HUB –Repetidor –Transceiver Camada de Enlace de dados –Bridge ou Ponte –Switch Camada de Rede –Roteador INTERLIGAÇÃO DE REDES

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7 FUNÇÃO DOS DISPOSITIVOS NAS CAMADAS Os TRANSCEIVERS, os REPETIDORES e os HUBS são considerados dispositivos ativos da Camada Física, (Camada 1) pois atuam apenas em bits e necessitam de energia. Entretanto os patch cables, patch panels e outros componentes de interconexão são considerados componentes passivos porque simplesmente fornecem algum tipo de caminho condutor As placas de rede são consideradas dispositivos da camada 2 pois é nelas que estão localizados os endereços MAC, mas como lidam com freqüência com a sinalização e a codificação, são também dispositivos da camada 1 INTERLIGAÇÃO DE REDES

8 FUNÇÃO DOS DISPOSITIVOS NAS CAMADAS As BRIDGES e os SWITCHES são considerados dispositivos da Camada de Enlace (Camada 2) porque usam informações da camada 2 (endereço MAC ou endereço físico) para tomar decisões sobre encaminhar ou não quadros. Elas também operam na Camada 1 para permitir os bits a interagirem com os meios de transmissão Os ROTEADORES são considerados dispositivos da Camada de Rede (Camada 3) porque usam endereços da camada 3 (endereço de rede ou endereço lógico) para escolher os melhores caminhos e rotear pacotes para a rota apropriada. As interfaces do roteador operam nas camadas 1 e 2 assim como na camada 3 INTERLIGAÇÃO DE REDES

9 Exemplo de interligação em LANs INTERLIGAÇÃO DE REDES

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11 Domínios de colisão

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15 REPETIDOR Nível de Camada Física (camada 1) São dispositivos de porta única de entrada e porta única de saída, isto é, copia bits de uma rede para outra Não faz nenhuma verificação nos bits Regenera os bits para que o sinal não enfraqueça (elétrico ou óptico) Dispositivo de hardware REPETIDOR

16 Permite estender a rede a uma distância maior Mas os domínios de colisão de segmentos individuais tornam-se um grande domínio de colisão Regra dos repetidores de cinco (Regra 5-4-3): pode-se conectar até cinco segmentos de rede ponto a ponto usando quatro repetidores, mas apenas três desses segmentos podem ter hosts (computadores). REPETIDOR

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18 Também são dispositivos da Camada Física (Camada 1) Geram novamente o sinal (nível de bit ) e o transmite para todas as suas portas (conexões da rede) Também são conhecidos como repetidores multiportas. A diferença é o número de cabos que se conectam ao dispositivo Podem ter, por exemplo, 4, 8 ou 24 portas usando um processo conhecido como concentração Os motivos para se usar os hubs são: –Criar um ponto de conexão central para os meios de cabeamento –Aumentar a confiabilidade da rede, pois se somente um cabo falhar a rede não é afetada. Isso difere da topologia de barramento onde, se houver uma falha no cabo, toda a rede será afetada. HUB

19 Existem diferentes classificações dos hubs na rede. –Ativos ou passivos: A maioria dos hubs modernos é ativa. Eles obtêm energia de uma fonte de alimentação para gerar novamente os sinais da rede Alguns hubs são denominados dispositivos passivos porque simplesmente repartem o sinal entre vários usuários, como usando um fio "Y" em um CD player para usar mais de fone de ouvido. Os hubs passivos não geram novamente os bits, ou seja, não estendem o comprimento de um cabo, apenas permitem um ou mais hosts se conectarem ao mesmo segmento de cabo. –Inteligentes ou burros: Os hubs inteligentes têm portas do console, o que significa que podem ser programados para gerenciar o tráfego da rede. Os hubs burros simplesmente aceitam um sinal da rede de entrada e o repete em todas as portas sem a habilidade de realizar qualquer gerenciamento. HUB

20 Tipos de HUB: –HUB Standalone São repetidores multiporta –HUB Stackable São HUBs empilháveis –HUB Modular Dispõem de dois ou mais alojamentos (slots) que podem aceitar expansões de placas HUB

21 Hub no backbone interconecta segmentos de LAN Estende a distância máxima entre nós Mas os domínios de colisão de segmentos individuais tornam-se um grande domínio de colisão Não dá para interligar 10BaseT com 100BaseT hub HUB

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24 Nível de Camada de Enlace de Dados (Camada 2) Divide a rede em dois ou mais domínios (segmentos) Filtra o tráfego entre os segmentos de LAN: –Mantêm local o tráfego do segmento –Deixa passar somente os quadros cuja estação de destino se localiza no outro segmento A bridge sabe qual tráfego é local ou não olhando o endereço MAC A bridge mantém registros dos endereços MAC que estão em cada lado da bridge Tem algoritmo de encaminhamento muito simples Permite alívio de carga na rede São normalmente utilizadas para interconexão local PONTE (BRIDGE)

25 Camada de atuação das Bridges

26 PONTE (BRIDGE)

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28 As bridges funcionam examinando o endereço MAC de quadros de entrada Se o quadro for local (com um endereço MAC no mesmo segmento de rede da porta de entrada da bridge), o mesmo não será encaminhado através da bridge Se o quadro não for local (com um endereço MAC diferente dos endereços do segmento de rede da porta de entrada da bridge), o mesmo será encaminhado ao próximo segmento de rede Como essas decisões tomadas pelos circuitos da bridge se baseiam nos endereços MAC, a bridge trabalha aceitando um quadro, removendo-o, examinando o endereço MAC e depois enviando ou não o quadro, dependendo da situação. PONTE (BRIDGE)

29 As tabelas de comutação são calculadas através de: –Comutação isolada (backward learning) Funciona apenas em topologias em árvore A topologia de grafo deve ser transformada em topologia de árvore através do algoritmo Spanning-tree –Observação dos endereços MAC usando o algoritmo spanning-tree Opera periodicamente (a cada segundo) Decide quais portas colocar em forwarding e quais colocar no estado de blocking PONTE (BRIDGE)

30 Pontes Transparentes –Padronizadas pelo IEEE como 802.1D e também são conhecidas como Pontes Transparentes Spanning- tree São derivadas do Ethernet Tem tabelas de comutação local Não necessitam de tabelas prévias sobre os nós da rede –Agregam três funções: Encaminhamento dos quadros Aprendizado da localização dos endereços Resolução da topologia participando do algoritmo de árvore de cobertura Spanning-tree PONTE (BRIDGE)

31 Aprendizado da Ponte PONTE (BRIDGE)

32 Encaminhamento na ponte PONTE (BRIDGE)

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37 Trabalha no nível da Camada de Enlace de Dados (Camada 2) Permite a interconexão entre máquinas diretamente, simulando uma conexão ponto a ponto SWITCH

38 Concentra a conectividade, ao mesmo tempo tornando a transmissão de dados mais eficiente. Combina a conectividade de um Hub com a regulamentação do tráfego de uma Bridge em cada porta Ela comuta os quadros das portas de entrada (interfaces) para as portas de saída, enquanto fornece a cada porta a largura de banda completa (a velocidade da transmissão de dados no backbone da rede). SWITCH

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40 São transparentes aos Hubs São plug-and-play, self-learning (auto aprendizado) –Switches não precisam ser configuradas Técnicas de Ethernet Switching –Quando o quadro é encaminhado em um segmento, utiliza o CSMA/CD para acessá-lo –Store-and-forward Também utilizada em Pontes O pacote é inteiramente recebido e depois é retransmitido Pode interconectar vários tipos de MAC (Eth, Token Ring, FDDI...) Pode operar a várias velocidades (10, 100 Mbps) Verifica o CRC, então não encaminha quadros com erros Não encaminha fragmentos de colisão SWITCH

41 –Cut-through ou On-the-Fly Switching A decisão de encaminhamento é tomada durante a passagem do quadro na switch (após a leitura do endereço de destino a switch já decide para qual porta encaminhar o quadro) Encaminha fragmentos de colisão Diminui a latência –Fragment free Antes de iniciar a transmissão a Switch deve esperar por um tempo igual ao da janela colisão (51,2 µs) Limites de Ethernet Switching –As técnicas de Cut-though e Fragment free podem ser utilizadas somente se: Todas as portas utilizam o mesmo tipo de MAC A taxa de transmissão nas portas é a mesma A porta de destino está liberada O quadro não é multicast nem broadcast –Caso contrário utiliza-se Store-and-forward –Para quadros pequenos o desempenho das três técnicas é equivalente SWITCH

42 Auto aprendizado –Uma switch possui uma tabela de comutação –Entrada na tabela de comutação: (Endereço MAC, Interface, Carimbo de tempo) Entradas antigas na tabela são descartadas dependendo do TTL (envelhecimento) –Switch aprende quais hosts podem ser alcançados através de quais interfaces Quando um quadro é recebido, a switch aprende a localização do transmissor, isto é, de qual segmento de LAN ele veio Registra o par transmissor/localização mais o horário na tabela de comutação SWITCH

43 Filtragem/encaminhamento –Quando um switch recebe um quadro: indexa a tabela de comutação usando o endereço MAC do destino if entrada encontrada para o destino then{ if dest estiver no segmento de onde veio o quadro then descarta o quadro else encaminha o quadro na interface indicada } else usa inundação –Inundação = Encaminha o quadro para todas as demais interfaces exceto aquela em que o quadro foi recebido SWITCH

44 Exemplo: C envia quadro para D Switch recebe o quadro vindo de C –anota na tabela de comutação que C está na interface 1 –dado que D não se encontra na tabela, encaminha o quadro para as demais interfaces: 2 e 3 quadro é recebido por D endereço interface ABEGABEG hub switch A B C D E F G H I SWITCH

45 Exemplo: D responde com um quadro para C. Switch recebe o quadro vindo de D –anota na tabela de comutação que D está na interface 2 –dado que C está na tabela, encaminha o quadro apenas na interface 1 quadro é recebido por C interface ABEGCABEGC endereço SWITCH hub switch A B C D E F G H I 1 2 3

46 SWITCH

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49 Switch: isolamento de tráfego (domínios de colisão) Instalação do switch quebra a subrede em diversos segmentos de LAN switch filtra os pacotes: –quadros do mesmo segmento de LAN não são normalmente encaminhados para os outros segmentos –segmentos tornam-se domínios de colisão separados hub switch domínio de colisão 1 domínio de colisão 2 domínio de colisão 3 SWITCH

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51 Nível da camada de rede Faz decisões sobre qual a melhor rota para o pacote de dados Implementado em software Pode ser implementado em uma estação de trabalho ROTEADOR (ROUTER)

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53 O roteador encontra-se na Camada de Rede, ou Camada 3 Trabalhar na Camada 3 permite que o roteador tome decisões com base em grupos de endereços de rede ao invés de endereços MAC individuais, como é feito na Camada 2 Os roteadores podem também conectar diferentes tecnologias da Camada 2, como Ethernet, Token-ring, FDDI, X.25, Frame Relay, etc Devido à sua habilidade de rotear pacotes baseados nos endereços da Camada 3, os roteadores se tornaram o backbone da Internet, executando o protocolo IP Os roteadores são os dispositivos de controle de tráfego mais importantes nas grandes redes Um roteador pode ter vários tipos diferentes de portas de interface (placas de rede): LAN (Portas Ethernet, Token Ring, etc) ou WAN (Portas Seriais) Um roteador permite: –acesso corporativo a Internet ou ter um ponto de presença na Web –Se tornar um ISP (Internet Service Provider) –Segmentar uma grande rede em sub-redes menores e mais fáceis de manusear –Interconectar múltiplas LANs com diferentes tipos de redes –Conectar a rede de escritórios remotos à rede corporativa ROTEADOR (ROUTER)

54 Um roteador examina os pacotes de entrada, escolhe o melhor caminho para eles através das redes diretamente conectadas e, depois comuta os pacotes para a porta de saída selecionada Os roteadores na verdade operam na Camada 1 (bits no meio das interfaces do roteador), Camada 2 (quadros comutados de uma interface para a outra), e na Camada 3 com base nas informações dos pacotes e nas decisões de roteamento O fluxo de pacotes através dos roteadores (por exemplo, a seleção do melhor caminho e a switching real na porta de saída apropriada) envolve o uso de endereços de rede da camada 3. Depois que a porta apropriada tiver sido selecionada, o roteador encapsula novamente o pacote em um quadro para enviá-lo ao seu próximo destino. Esse processo ocorre em todos os roteadores no caminho do host de origem até o host de destino Utiliza protocolos de roteamento para manter sempre atualizadas as tabelas de roteamento –Roteamento por distância vetorial –Roteamento por estado do enlace ROTEADOR (ROUTER)

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56 Porta serial de um roteador Cisco 1601 ROTEADOR (ROUTER)

57 Portas LAN (10BaseT e AUI) de um roteador Cisco 1601

58 ROTEADOR (ROUTER)

59 Opera como um roteador Faz conversão dos dados no nível da Camada de Aplicação –encapsulamento –tradução –encriptação Implementado em software Pode ser implementado em uma estação de trabalho Gate way Gate way encapsulamento Gate way tradução encriptação Rede Segura Rede Segura GW ? ? ? Rede Insegura GATEWAY

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61 Certos dispositivos operam em todas as sete camadas Alguns (por exemplo, os PCs) são dispositivos das camadas de 1 a 7. Em outras palavras, eles executam processos que podem ser associados a todas as camadas do Modelo OSI O encapsulamento e o desencapsulamento são dois exemplos disso Um dispositivo denominado gateway (essencialmente um computador que converte as informações de um protocolo em outro) também é um dispositivo da camada 7 Um exemplo de um gateway seria um computador em uma LAN que permite que a rede se conecte a um computador mainframe da IBM ou a um sistema de fac-símile (fax) Nesses exemplos, os dados teriam que ir até a pilha do modelo OSI para serem convertidos em um formato de dados que o dispositivo receptor, o mainframe ou a unidade de fax, pudesse usar As nuvens podem conter vários tipos de meios, placas de rede, switches, bridges, roteadores, gateways e outros dispositivos de rede. Como a nuvem não é realmente um dispositivo, mas sim uma coleção de dispositivos que operam em todos os níveis do Modelo OSI, ela é classificada como um dispositivo das camadas de 1 a 7. GATEWAY

62 Rede Institucional/corporativa hub switch para a rede externa roteador subrede IP servidor de mail servidor web

63 Switches vs. Roteadores Ambos são dispositivos do tipo armazena-e-encaminha –Roteadores: dispositivos da camada de rede (examinam os 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 comutação, implementam filtragem, algoritmos de aprendizado

64 Comparação resumo


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