Aula Teorica Parte Iii Sistemas Telematicos

Sistemas Telemáticos

Redes Locais de Comunicação de Dados Parte III

Informática para a Saúde 2º Ano – 1º Semestre 2006/2007 Escola Superior de Tecnologia Instituto Politécnico de Castelo Branco

Resumo • Redes Locais de Comunicação de Dados – – – – – – – –

Topologias de rede Dispositivos típicos em redes locais Meios físicos (cablagens, fichas, etc) Tecnologias de Redes Locais Conceitos de comutação Ethernet Redundância VLANs Redes sem fios (WiFi, Bluetooth, …)

Pedro António

Sistemas Telemáticos

2

Conceitos de comutação Ethernet • Rendimento de uma rede Ethernet – A maior parte das redes com cerca de meia dúzia de anos são Ethernet 10BASE-T – Implementadas normalmente usando um ou mais Hubs em cascata, formando um único domínio de colisão – Factores de congestionamento e saturação de uma rede: • • • •

Aumento do número de utilizadores Processadores mais rápidos Sistemas operativos mais eficientes Maior número de aplicações cliente-servidor

Pedro António

Sistemas Telemáticos

3

Conceitos de comutação Ethernet • Rendimento de uma rede Ethernet – Tamanho da trama • Maior rendimento é conseguido com tamanhos maiores • Tramas maiores reduzem a probabilidade de colisões

– Número estações • Maior rendimento é conseguido com número de estações menor • Evitar segmentos com muitas estações e transferências massivas de dados

– Tempo de propagação • Maior rendimento é conseguido com tempos de propagação menores • Evitar troços muito longos Pedro António

Sistemas Telemáticos

4

Conceitos de comutação Ethernet • Rendimento de uma rede Ethernet – Hubs e Repetidores • Escalabilidade – Numa rede composta por hubs, a largura de banda torna-se limitada, isto LIMITA o crescimento da rede sem perda acentuada de DESEMPENHO

• Latência – A latência é a quantidade de tempo que um pacote gasta do início ao destino – Numa rede com muitos hubs, o tempo de latência aumenta com o aumento dos hubs

• Falhas de Rede – Um hub numa rede típica pode causar problemas com outros dispositivos se os parâmetros de velocidade forem configurados erradamente – Exemplo: hub de 10 Mbps numa rede de 100 Mbps, ou excessivos broadcasts

• Colisões

Pedro António

Sistemas Telemáticos

5

Conceitos de comutação Ethernet • Rendimento de uma rede Ethernet – Tipos de colisões • Colisão local: acontece quando, durante a transmissão dos primeiros 64 bytes da trama Ethernet, uma segunda transmissão é efectuada no mesmo meio físico (cabo coaxial ou entre o hub-host half-duplex), corrompendo-se mutuamente e elevando os níveis de tensão acima dos valores normais • Colisão remota: é uma colisão que existe do outro lado de um repetidor ou hub e é detectada quando são recebidos fragmentos incompletos de tramas Ethernet • Colisão tardia: acontece quando existem problemas após os primeiros 64 bytes. A norma Ethernet não define nenhum procedimento especial neste caso. primeiros 64 bytes da trama Preâmbulo 7

SFD 1

Colisão local

Pedro António

Destino 6

Origem 6

Tamanho / Tipo 2

Dados 46…1500

Colisão remota

FCS 4

Colisão tardia

Sistemas Telemáticos

6

Conceitos de comutação Ethernet • Segmentação de redes – Comutação Ethernet – Hubs versus Switches • Com um Hub, todos os nós ligados partilham a largura de banda entre si • Com um Switch, um dispositivo ligado tem toda a largura de banda para ele

– Exemplo: • Se 10 nós comunicam utilizando um Hub a uma velocidade de 10 Mbps: – Cada nó pode apenas possuir apenas uma parte dos 10 Mbps

• Com os Switches todos os nós comunicam na velocidade da capacidade total – Todos os nós comunicam a 10 Mbps, sem partilha de largura de banda

– Os switches são uma boa opção para aumentar o desempenho da rede! Pedro António

Sistemas Telemáticos

7

Conceitos de comutação Ethernet • Segmentação de redes – Comutação Ethernet – Uma rede Ethernet baseada em switches é designada como rede Ethernet segmentada – Os switches permitem várias transmissões simultâneas em segmentos de rede diferentes • Criação de diferentes domínios de colisão • Não têm qualquer efeito sobre os domínios de broadcast

– Os switches terminam com os domínios de colisão – Os switches permitem a extensão da rede – Modos de comutação: • Cut-through, fast-forward • Cut-through, fragment-free • Store-and-forward

Pedro António

Sistemas Telemáticos

8

Conceitos de comutação Ethernet • Switches – Criação de diferentes domínios de colisão – Quntos domímios de colisão estão presentes na figura?

Pedro António

Sistemas Telemáticos

9

Conceitos de comutação Ethernet • Switches – Aprendizagem de endereços – A operação de switches não está especificada na norma 802.3 – Existe apenas a norma 802.1d que define as regras como encaminhar (comutar) uma trama Ethernet de uma porta para outra, baseando-se no endereço MAC da trama. – O encaminhamento é baseado na aprendizagem de endereços MAC • A aprendizagem é baseada na procura dos endereços de origem das tramas • As portas dos switches operam em modo “promíscuo” • São recebidos e processados todos as tramas recebidas em todas as suas interfaces, independentemente do seu endereço de destino.

– Constrói uma tabela de endereços por porta, usada para decidir sobre a comutação das tramas

Pedro António

Sistemas Telemáticos

10

Conceitos de comutação Ethernet • Switches – Aprendizagem de endereços – Após o período de aprendizagem, ao chegar uma trama acontece uma de três situações: • O endereço está na tabela da porta que recebeu a trama • O endereço está na tabela de outra porta • O endereço não se encontra em nenhuma tabela usa-se a técnica flooding (inundação de todas as restantes portas) – Também existe um processo de “desaprendizagem”. • Os switches mantém a “idade” (aging) de cada entrada • Após um determinado intervalo de tempo a entrada é removida

Pedro António

Sistemas Telemáticos

11

Conceitos de comutação Ethernet

Pedro António

Sistemas Telemáticos

12

Conceitos de comutação Ethernet • Switches – Detalhe interno – Possui uma matriz interna de comutação onde as portas de entrada e de saída se cruzam • Quando um pacote é detectado numa porta de entrada, o endereço MAC é comparado para com uma tabela para descobrir a porta de destino adequada • Após descobrir, o switch estabelece a ligação entre a porta de entrada e a porta de saída

Pedro António

Sistemas Telemáticos

13

Conceitos de comutação Ethernet • Switches Assimétricos – Torna possível ligar segmentos de rede que operam a diferentes velocidades – Os switches assimétricos (portas de diferentes velocidades) são optimizados para fluxos de tráfego cliente-servidor, pois permitem que múltiplos clientes comuniquem simultaneamente com o servidor

Pedro António

Sistemas Telemáticos

14

Conceitos de comutação Ethernet • Switches – Modos de comutação – Store-and-forward • O switch recebe toda a trama Ethernet (armazena-a num buffer), verifica o FCS e depois começa a enviá-la para a interface de destino • Este procedimento é bastante fiável mas provoca algum atraso, principalmente se as tramas têm um tamanho elevado – Atraso = (Tamanho da Trama) / (Taxa de Transmissão)

3UH¤PEXOR 

6)' 

'HVWLQR 

2ULJHP 

7DPDQKR 7LSR

Pedro António

'DGRV ಹ

Sistemas Telemáticos

)&6 

15

Conceitos de comutação Ethernet • Switches – Modos de comutação – Cut-through, fast-forward • O switch começa a reenviar a trama para o destino após ler o endereço de destino • É o procedimento mais rápido, mas pode retransmitir tramas com erros, inclusive com colisões – Atraso = (112bit) / (Taxa de Transmissão)

3UH¤PEXOR 

6)' 

Pedro António

'HVWLQR 

2ULJHP 

7DPDQKR 7LSR

'DGRV ಹ

Sistemas Telemáticos

)&6 

16

Conceitos de comutação Ethernet • Switches – Modos de comutação – Cut-through, fragment-free • O switch só começa a reenviar a trama para o destino, depois de ler pelo menos 64 bytes • Este procedimento, apesar de ser mais lento que o “Cut-through, fast-forward”, é mais rápido que o “Store-and-forward”, e permite evitar a retransmissão de fragmentos de tramas com colisões – Atraso = (512bit) / (Taxa de Transmissão)

3UH¤PEXOR 

6)' 

Pedro António

'HVWLQR 

2ULJHP 

7DPDQKR 7LSR

'DGRV ಹ

Sistemas Telemáticos

)&6 

17

Conceitos de comutação Ethernet • Switches – Modos de comutação – “Store & Forward” versus “Cut-Through” • Os switches que operam em modo “Cut-Through” não permitem a comutação entre portas de diferentes taxas de transmissão • Para tramas pequenas as diferenças de desempenho são mínimas • A vantagem do baixo custo dos switches “Cut-Through” relativamente aos “Store & Forward” tem diminuído

Pedro António

Sistemas Telemáticos

18

Conceitos de comutação Ethernet • Switches – Desempenho – Aspectos determinantes para o desempenho de um switch: • 1) O máximo de entradas nas tabelas de comutação – Deve ser superior ao número total de nós da rede

• 2) Número de "tramas” que é capaz de comutar ou processar por segundo – Numa rede a 10 Mbps a situação menos favorável é a chegada de 14.880 tramas por segundo (tramas mínimas 64 bytes). – A capacidade de comutação (a 10 Mbps) deve ser pelo menos igual a n x 14.880 tramas/seg, onde n representa o número de portas.

• 3) Taxa de transmissão do(s) barramento(s) interno(s) do comutador, expressa em bit/s

– Por exemplo um comutador com 16 portas a 10 Mbps e 2 portas a 100 Mbps deverá ter um débito interno superior a

(2 x 100 + 16 x 10) = 360 Mbps

Pedro António

Sistemas Telemáticos

19

Conceitos de comutação Ethernet •

Switches – Detecção automática do tipo de cabo – MDI e MDIX • MDI – Medium Dependent Interface, fornece a ligação física e eléctrica ao meio cablado • MDIX – Medium Dependent Interface Crossover, permite a ligação entre dispositivos semelhantes – Ligação entre portas MDI – cabo cruzado – Ligação entre portas MDIX – cabo cruzado – Ligação entre uma porta MDI e uma porta MDIX – cabo directo

– Auto-MDIX – Auto-Sensing MDI/MDIX • Cada porta Ethernet do switch detectará automaticamente o tipo de cabo • Ethernet que está a ser usado (directo ou cruzado) e realizará as alterações necessárias para estabelecer a ligação através dele.

– Deixa de ser necessário descobrir que cabo usar! – Deixa de haver a necessidade de manter um stock de ambos os tipos de cabos

Pedro António

Sistemas Telemáticos

20

Conceitos de comutação Ethernet

Pedro António

Sistemas Telemáticos

21

Conceitos de comutação Ethernet • A evolução para Fast Ethernet ou Gigabit Ethernet – Nem sempre compensa! – Pode ser mais eficiente a colocação de um switch do que um upgrade... – Se existir mais do que um servidor, o switch é claramente a melhor opção • Em caso de muitos clientes esta solução pode apresentar o dobro ou mesmo o triplo do desempenho • Independentemente do número de servidores o desempenho da Fast Ethernet mantém-se

Pedro António

Sistemas Telemáticos

22

Redundância •

Tolerância a falhas – É fundamental que as redes de comunicação sejam tolerantes a falhas – A falha de um subsistema não deve tornar toda a rede local inoperacional – Devem ser evitadas topologias em que existam pontos que comprometam toda a rede local Switch A

Switch B

Switch C

• Nesta topologia, se o Switch B falhar, os computadores à sua direita ficam desligados do servidor • Se falhar o Switch A, nenhum computador terá acesso ao Servidor Pedro António

Sistemas Telemáticos

23

Redundância • Redundância – A solução é usar caminhos alternativos para uma mesma ligação

Switch A

Switch B

Switch C

– Na situação em que o Switch B falhe, o Switch C mantém a ligação ao servidor através do outro caminho! Pedro António

Sistemas Telemáticos

24

Redundância • Problemas das topologias redundantes – Tempestades de broadcasts (Broadcast Storm) • Ocorrem quando um switch envia tramas de broadcast (difusão) • Como essas tramas são enviadas para todas as suas interfaces, cada um dos outros switches vai receber pelo menos duas dessas tramas e passá-las para as outras interfaces, criando uma tempestade interminável de broadcasts • As tramas Ethernet não têm timeout, pelo que viajam eternamente na rede, consumindo preciosa largura de banda Switch A

Pedro António

Switch B

Sistemas Telemáticos

Switch C

25

Redundância • Problemas das topologias redundantes – Transmissão múltipla de uma trama • Ocorre quando por alguma razão os switches não têm o endereço Ethernet do destino na tabela, e enviam a trama para todas as suas interfaces, provocando o envio de duas ou mais cópias da trama para o destinatário Switch A

Pedro António

Switch B

Sistemas Telemáticos

Switch C

26

Redundância • Problemas das topologias redundantes – Preenchimento errado da tabela de endereços Ethernet • Ocorre quando por alguma razão os switches não têm o endereço Ethernet do destino na tabela, e enviam uma trama para todas as suas interfaces • Um switch que receba a mesma trama em interfaces diferentes, não sabe para qual das interfaces deve mapear o endereço Ethernet de origem Afinal em que interface está o servidor?

Switch A

Switch B

Pedro António

Sistemas Telemáticos

Switch C

27

Redundância • Problemas das topologias redundantes – SOLUÇÃO
Protocolo Spanning-Tree • A solução é manter uma topologia física com caminhos redundantes, mas criar uma topologia lógica sem loops, desactivando os caminhos redundantes • Em caso de falha, recalcula-se a topologia lógica, eventualmente passando a usar os caminhos de backup

Switch A

Pedro António

Switch B

Sistemas Telemáticos

Switch C

28

Redundância • Protocolo Spanning-Tree – Objectivo • • • •

Organizar os segmentos da rede em árvore para desactivar possíveis ciclos. 1) Ligação de backup entre switches 2) Ciclos de ligação entre switches 3) Ligação de backup a repetidores

– Desenvolvido por Radia Perlman na DEC – Integrado na especificação IEEE 802.1D (1990)

Pedro António

Sistemas Telemáticos

29

Redundância • Algoritmo Spanning-Tree – Escolha da Root Bridge – Escolha dos Root Port (em cada uma das outras bridges) – Escolha dos Designated Ports (um para cada segmento)

Pedro António

Sistemas Telemáticos

30

Redundância • Switches/Bridges Spanning Tree – Acrescentam ao método de aprendizagem a capacidade para detecção de loops com base no algoritmo designado como Spanning-tree – Constroem um mapa (lógico) da rede em árvore onde são detectadas e identificadas todas as outras bridges, mas livre de loops (são “eliminadas” algumas ligações) – Usam-se mensagens de configuração para um endereço de multicast reservado para esta operação

Pedro António

Sistemas Telemáticos

31

Redundância

Pedro António

Sistemas Telemáticos

32

Redundância

Pedro António

Sistemas Telemáticos

33

Referências • Andrew S. Tanenbaum, "Computer Networks", Prentice Hall • Edmundo Monteiro e Fernando Boavida, "Engenharia de Redes Informáticas", FCA • Vasco Soares; Slides de “Sistemas e Redes de Computadores”; Eng. Informática; Escola Superior de Tecnologia

Pedro António

Sistemas Telemáticos

34