Redes de Computadores Fundamentos de Redes de Computadores

Redes de Computadores Fundamentos de Redes de Computadores, Transmissão de Dados Cabeamento Camada de Enlace Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 1

Representação de Sinais A/D Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 2

Quantisation e Sampling • Quantisation: Quantisation “incerteza” introduzida na conversão de uma valor analógico em número digital • Sampling (amostragem): intervalo de aquisição dos dados analógicos Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 3

Quantisation • Resolução da conversão depende do número de bits: quanto mais bits, melhor a resolução. • O número de bits determina o número de divisões uma faixa de “inputs” pode ser dividida para aproximar um “input” analógico. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 4

Quantisation • Exemplo – valores de 8 bits para representar voltagens de 0 -10 V. – 8 bits: 256 valores distintos – 10 V / 256 = 0. 039 V ! – 0 V = 0000 10 V = 1111 – Cada mudança de 0. 039, indica um novo binário. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 5

Sampling • Para representar som digital de forma autêntica é preciso capturar uma amostra de som (sampling) cerca de 44500 vezes por segundo ! • A gravação de um som autêntico por 1 segundo requer 1. 5 milhões de bits (quantização de 32 bits, por exemplo). Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 6

Convertendo tipos de sinais • Modem: recebe dados digitais e converte-os para a forma analógica, para transmissão sobre um meio, por exemplo, linha telefônica. • MOdulator: digital para analógico. MO • DEModulator: Analógico para digital. DEM Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 7

Esquema de um Mo. Dem Digital Analógico Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 8

Modem externo ligado ao computador. via RS-232 e fiação para linha telefônica com conector RJ-11. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 9

Sinais digitais • Representam apenas 0´s e 1´s. • Variam menos que sinais analógicos. • mais fáceis para decodificar, mesmo que tenham sofrido interferência. • As redes que transportam sinais digitais são conhecidas por base. Band Networks – Redes coaxial 50 ohm / ethernet (utp) Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 10

Sinais analógicos • Sofrem menos Atenuações que sinais digitais em longas distâncias. • Equipamentos digitais lidam com 0´s e 1´s. O que acontece se o sinal se torna fraco a ponto de não permitir diferenciação? • As redes que transportam sinais analógicos são conhecidas por broad. Band Networks • Cabo coaxial 75 ohm (TV) Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 11

Analógico x Digital • Digital – Mais fácil de regenerar – menos infestado de interferências – Pode ser gravado diretamente em computador – CODEC: Coder/DECoder • Analógico Digital (Transmissão) Analógico • Linhas ISDN: totalmente digital • Integrated Services Digital Network (1998) Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 12

ADSL • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) Linha digital assimétrica p/ assinantes • 8 Mbps (do roteador do ISP p/ casa) • 1 Mbps (da casa p/ o roteador do ISP) • Transmissão FDM (multiplexação por divisão de freqüência) – 1 canal alta velocidade na direção do usuário: 50 k. Hz - 1 MHz – 1 canal de velocidade média na direção da rede: 4 k. Hz - 50 k. Hz – 1 canal telefônico de duas vias: 4 k. Hz. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 13

Padrão RS-232 • • conexão: comprimento max. : 15 metros voltagens: +3 V e -3 V. comunicação serial e assíncrona especifica transmissão de caracteres transmissão de bits sem delay entre eles nunca deixa voltagem Zero na linha. Por que comunicação Assíncrona ? – não há necessidade de sincronização emissor-receptor – não há “clock” Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 14

Voltagem no fio usando RS-232 +3 0 -3 Tempo idle start 1 0 1 0 stop • Acordo entre emissor e receptor no tempo de transmissão de cada bit • bit de início 0: emissor pode distinguir entre idle e início de caracter. • padrão determina que emissor deve deixar a linha idle por um tempo mínimo -> bit de parada 1. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 15

Conector RS-232 Conector de 25 pinos, com 3 fios para comunicação full -duplex. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 16

Comunicação Assíncrona full duplex transmissão full duplex: fluxo de dados em ambas direções R: receiver (receptor) - modem, pino 3. Computador, pino 2 T: transmitter (transmissor) - modem, pino 2. Comput, pino 3 G: ground (terra) - pino 7 Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 17

Largura da Banda - Bandwidth • O nro de freqüências que pode ser acomodado num canal de transmissão. • A diferença entre a freqüência mais alta e a mais baixa que pode ser acomodada num único canal. • Quanto maior a faixa, maior a bandwidth do canal e maior a capacidade de transmissão! Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 18

Time-Division Multiplexing (TDM) • Sinais de velocidades baixas são colocados em um canal de transmissão de mais alta velocidade. • Canal de N nós com R bps • cada nó terá taxa de transmissão de R/N Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 19

Observações TDM • Os MUX´s alocam tempo para um sinal s mesmo se a fonte não tem nada p/ transmitir • Há MUX´s mais inteligentes que alocam fatias de tempo só qd necessário: ambos MUX´s precisam conversar. • Técnica para redes Base. Band (digitais) e Broad. Band (analógica), para uma única freqüência. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 20

Frequency-Division Multiplexing - FDM • A bandwidth total do cabo é dividida em bandwidth menores que transportam vários dados. • Canal de N nós com R bps • Cada nó terá taxa de transmissão de R/N Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 21

Enlaces de Acesso Múltiplo e Protocolos Três tipos de enlaces: • ponto-a-ponto (fio único, ex. PPP, SLIP) • broadcast (fio ou meio compartilhado; ex, Ethernet, etc. ) • switched (ex. , switched Ethernet, ATM etc) Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 22

Protocolos de Acesso Múltiplo • canal de comunicação único e compartilhado • duas ou mais transmissões pelos nós: interferência – apenas um nó pode transmitir com sucesso num dado instante de 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 própro canal! – o que procurar em protocolos de múltiplo acesso: • síncrono ou assíncrono • informação necessária sobre as outras estações • robustez (ex. , em relação a erros do canal) • desempenho Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 23

Protocolos MAC: uma taxonomia Três grandes classes: • Particionamento de canal – dividem o canal em pedaços menores (compartimentos de tempo, freqüência) – aloca um pedaço para uso exclusivo de cada nó • Acesso Aleatório – permite colisões – “recuperação” das colisões • Passagem de Permissão – compartilhamento estritamente coordenado para evitar colisões Objetivo: eficiente, justo, simples, descentralizado Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 24

Protocolos MAC com Particionamento de Canal: TDMA: acesso múltiplo por divisão temporal • acesso ao canal é feito por ”turnos" • cada estação controla um compartimento (“slot”) de tamanho fixo (tamanho = tempo de transmissão de pacote) em cada turno • compartimentos não usados são disperdiçados • exemplo: rede local com 6 estações: 1, 3, 4 têm pacotes, compartimentos 2, 5, 6 ficam vazios Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 25

Protocolos MAC com Particionamento de Canal: FDMA: acesso múltiplo por divisão de freqüência o espectro do canal é dividido em bandas de freqüência cada estação recebe uma banda de freqüência tempo de transmissão não usado nas bandas de freqüência é desperdiçado exemplo: rede local com 6 estações: 1, 3, 4 têm pacotes, as bandas de freqüência 2, 5, 6 ficam vazias bandas de freqüência • • tempo Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 26

Particionamento de Canal (CDMA) CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Códigos) • um código único é atribuído a cada usuário, isto é, o código define o particionamento • muito usado em canais broadcast, sem-fio (celular, satelite, etc) • todos os usuários usam a mesma freqüência, mas cada usuário tem a sua própria maneira de codificar os dados. Esta codificaçaõ é definida pelo código que o usuário recebe (“chipping sequence”) • sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence) • decodificação: produto interno do sinal codificado e da seqüência de codificação (“chipping sequence”) • permite que múltiplos usuários “coexistam” e transmitam simultaneamente com mínima interferência (os códigos que minimizam a interferência são chamados “ortogonais”) Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 27

CDMA Codificação e Decodificação transmissor receptor Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 28

CDMA: interferência de dois transmissores receptor 1 Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 29

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 especifica: – como detectar colisões – como as estações se recuperam das colisões (ex. , via retransmissões atrasadas) • Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório: – slotted ALOHA – CSMA e CSMA/CD Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 30

4 - Meios de Transmissão • • • Fio de cobre Fibras Ópticas Ondas Eletromagnéticas Microondas Infravermelho Laser Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 31

Fios de Cobre - Par trançado: O trançamento dos fios tem a função de reduzir interferência. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 32

Par trançado - Tipos • STP: Shielded Twisted Pair – dois pares: Um para enviar, outro para receber – Empregados em redes Token Ring. – Conector type-1 • UTP: Unshielded Twisted Pair – de 2 a 4 pares de fios – ethernet (10 Base T) e Token Ring – típico conector: RJ-45 Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 33

Par trançado - STP IBM Token Ring, dois pares de fios (send e receive), conector IBM tipo-1. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 34

Par trançado - UTP Ethernet e Token Ring, existente em vários níveis, conector típico: RJ-45 Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 35

Par Trançado - UTP Par trançado 10 Base. T, com conector RJ-45 (patch cord) Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 36

Fios de Cobre - Coaxial Cabo Coaxial: O dado é transmitido no fio mais interno. A proteção de metal protege contra campos eletromagnéticos externos e evita que a radiação da energia eletro-magnética do fio interno interfira com outros fios Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 37

Cabos Coaxiais - Tipos • Thick Ethernet – 10 Base 5, RG-11, “trunk” – Conector: N-Series – Caro • Thin Ethernet – 10 Base 2, RG-58. – Conector: Bayonet Nut Connector (BNC) – Barato. (fora de moda!) Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 38

Cabos Coaxiais - Conectores Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 39

Coaxiais Thin ethernet - 10 Base 2 Thick ethernet - 10 Base 5 Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 40

Cabo Coaxial - fino Um adaptador AUI-para-10 Base. T, usado para conectar uma NIC com um conector AUI ao cabeamento Thin Ethernet. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 41

AUI, MAU, NIC. • NIC: Network Computer Interface. – Placa de Rede, Interface de Rede. • MAU: Media Attachment Unit: Transceiver – conversor analógico-digital • AUI: Attachment Unit Interface – Cabo que conecta a NIC ao Transceiver. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 42

NIC - Placa de Rede com conector AUI do lado direito da placa Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 43

Transceiver - Cabo Fino MAU ligado diretamente à NIC sem o cabo AUI. Rede usa cabeamento Ethernet 10 Base 2 com conector BNC. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 44

Transceiver - Par trançado MAU ligado diretamente à NIC sem o cabo AUI. Rede usa cabeamento Ethernet 10 Base. T com conector RJ-45. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 45

Esquema de fios (10 Base. T) Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 46

Fibra Óptica • • Cara Usada em backbones ou redes anel FDDI (100 Mbps) Alta capacidade Imune a interferências eletro magnéticas Baixa perda Dificuldade para fazer junções. ($$$) Longas distâncias Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 47

Fibra Óptica Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 48

Fibras Ópticas • LEDs (Light-Emitting Diodes) • ILDs (Injection Laser Diodes). • Fibras Multimodo: 5 GBPS – transporta múltiplos raios de luz concorrentemente – distâncias relativamente curtas, devido a dispersão – 50 a 100 microns • Fibras Single Mode: 25000 GBPS – – Transporta um único raio de luz. Distâncias mais longas. (50 x) Maior banda, embora (8. 3 a 10 microns) 10 bilhões de bits por segundo ! Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 49

Radio Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 50

Infravermelho • 16 Mbps Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 51

Pacotes, Frames e Detecção de Erros • Pacotes: pequenos blocos de dados enviados individualmente pelo sistema de rede. Por que? – coordenação na transmissão entre emissor e receptor. – acesso compartilhado de vários computadores à rede. • Frames: “pacote” especifico para uma determinada tecnologia de rede (frame ethernet, frame ATM) • Detecção de Erros – Bits de Paridade – Checksum – Cyclic Redundancy Check Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 52

Tecnologias e Topologias de Redes • Tecnologias: como computadores enviam pacotes pela rede. (ethernet, token ring, FDDI, ATM, Local. Talk) • Topologias: distribuição física e lógica dos computadores em uma determinada rede. (barramento, estrela, anel) Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 53

Tecnologia Ethernet • Hoje a mais utilizada – balanço entre velocidade, custo e facilidade de instalação. – aceitação no mercado de computadores e existência de bom suporte. – Padrão definido pelo IEEE. • A que topologia pertence ? Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 54

Ethernet - Barramento Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 55

Ethernet - Estrela Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 56

Ethernet - Mista Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 57

Como funciona: Ethernet • • • Não há uma “central” de coordenação. Xerox - início anos 70 (1973 - Bob Metcalf) Ethernet: 10 Mbps Fast Ethernet: 100 Mbps. Pode haver colisão. Como controlar ? Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 58

Fluxo de dados na Ethernet Comprimento máximo da ethernet: 2500 m distância max. percorrida por 64 bits (10 Mbps) sem colisão Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 59

CSMA • Carrier Sense with Multiple Access – esquema de coordenação distribuída – Atividade elétrica no cabo determina status. – Se nenhum computador envia frames: não há portadora (carrier). – Se algum computador transmite: há portadora. – Se não há portadora, a placa transmite um frame! Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 60

CSMA • Se há uma portadora, a placa espera p/ enviar seu frame. • Tecnicamente: – Verificar a presença de uma portadora chamase: carrier sense ! – Usar a presença de sinal para transmissão por vários computadores: Carrier Sense with Multiple Access Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 61

Colisão • O que acontece se, na ausência de portadora, dois computadores decidem transmitir simultaneamente? – Colisão (interferência) ! • Qual o mecanismo de Recuperação ? – CSMA/CD – CD: Colision Detection (and Back. Off) Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 62

Tratando a colisão • Ao sentir a colisão (alteração anormal na voltagem, pela placa), o computador espera. • Mas se ambos computadores esperarem o mesmo tempo para retransmitir: nova colisão ! • Usar um delay de no máximo d. • Selecionar um valor randômico! Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 63

Evitar colisões múltiplas • Se houver nova colisão, duplica-se o tempo de delay ! • Binary exponential Backoff : ato de dobrar o tempo de delay a cada colisão Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 64

2 - Endereçamento de Hardware e Frames • Meio físico compartilhado por muitos computadores. • Sinal chega a vários, além daquele a qual é especificamente destinado. • Como identificar este computador específico? – Frames ! Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 65

Endereçamento físico Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 66

Formato de Endereços Físicos • Estáticos: pré-estabelecido pelo fabricante. • Configuráveis: manual, na EPROM. • Dinâmicos – Endereço determinado quando a estação é ligada. Pode tentar valores aleatórios até encontrar algum que não seja usado por outro computador na rede. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 67

Frames • Permitem a identificação do conteúdo do dado a ser transmitido. • Composto por “campos” Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 68

Frame Ethernet Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 69

Tipos de Frames Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 70

Erros de Transmissão • Raios, variações na corrente elétrica, interferências eletro-magnéticas, etc. – Alteram o valor do dado. – Interpretação errada. • Mecanismos de verificação de erros – Paridade – Check. Sum – CRC Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 71

Verificando a Paridade • Bit de paridade • Paridade Par: – O transmissor configura o bit de paridade para 0 ou 1 de forma que o nro total de bits 1 (incluindo o próprio bit de paridade) seja par – o bit de parid. para 0100101 é 1. • Paridade Ímpar: análoga. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 72

Check. Sum • Dados são tratados como uma seqüência de inteiros sobre os quais é calculada uma soma. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 73

Limitações do Check. Sum Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 74

CRC - Cyclic Redundancy Check • Implementado em Hardware – registrador de deslocamento + porta Xor • melhor que checksum • Cada bit muda dramaticamente o resultado final. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 75

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3 - Conectividade. • Estendendo uma LAN – Repetidores (Repeaters) – Pontes (Bridges) – Switches – Roteadores (Routers) – Gateways – Hubs Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 77

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Repetidores • “Pega” um sinal e o repete ! • Não apenas amplifica, tenta também regenerá-lo (eliminando ruídos) • Corresponde a camada 1 do modelo ISO – Camada Física • Não tem a mínima noção da idéia de Frame – o sinal é elétrico – portadora Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 80

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Bridges • Mais inteligente que um repetidor – Camada 2 (Data Link) do modelo ISO – Entende o formato do Frame, portanto, é específica para uma determinada tecnologia – Pode tomar decisões inteligentes • Filtra Frames – Reduz tráfego na rede Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 83

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Filtragem de Frames • Bridge possui CPU, memória e duas placas de rede. • Aprendizado adaptativo. (spanning tree algorithm) • “Observa” a rede em modo promíscuo (aceita para análise todos os frames que chegam a ela). Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 85

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Uso de bridge - 1 Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 87

Uso de bridge - 2 Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 88

Um “ciclo” de Bridges Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 89

Hubs • Inicialmente: um concentrador de fiação • Hubs mais modernos – stack (pilhas de hubs): max 10 (IBM) – SNMP (Simple Network Management Protocol) • gerenciamento remoto do hub – Portas “bufferizadas”: armazena frames – filtragem de pacotes: descarta frames ruins – agem como repetidores – Cada né detém uma porção da largura de banda total da capacidade de transmissão do HUB ! Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 90

HUB Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 91

Switches • Tem a aparência de um hub – HUB: age como um longo fio compartilhado – SWITCH: simula uma rede com várias bridges! • • Permite comunicação em paralelo aumentam performance da rede agem também como um filtro Store-Forward qd um pacote chega, lê o header e o repassa ao segmento destino ( – Funcionam na camada 2 e 3 (Layer 3 Switches) – Cada nó tem a capacidade total de transmissão do Switch Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 92

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Layer 3 Switching • Incorpora características de roteadores • Opera no nível 3 (redes) do modelo ISO/OSI • Opera de modo idêntico a um roteador, mas tem otimização por hardware (tao rápido quanto um switch nível 2) Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 95

Roteadores • Transfere dados de uma rede para outra (que podem ser fisicamente diferentes - frames diferentes) • Camada 3 (Redes) do modelo ISO. • Inteligente: tenta encontrar a melhor rota para o pacote. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 96

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Gateways • PC: manipulam dados em formato ASCII • IBM Mainframes: formato EBCDIC • Conversão exige uma completa reestruturação dos dados. • Gateway: dispositivo que atua em qualquer camada do modelo ISO/OSI para vencer “diferenças” entre redes. Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 99

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Dispositivos de Conexão Dispositivo Camada OSI Performance Sofisticação Repeater Física Rápida Baixa Bridge Data Link Rápida Também Baixa Switch Data Link Rápida Complexa Roteador Network Média Complexa Gateway Qualquer Devagar Muito Complexa Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238 101