Roteamento e
Comutação
Camada de Enlace
A camada de enlace, cujo protocolo é utilizado para transportar um datagrama por
um enlace individual, define o formato dos pacotes trocados entre os nós nas
extremidades, bem como as ações realizadas por tais nós ao enviar e receber
pacotes.
As unidades de dados trocadas pelo protocolo de camada de enlace são
denominadas quadros, sendo que cada quadro de camada de enlace encapsula um
datagrama de camada de rede.
Enlace
Rede
Transporte
Quadro
Pacote/datagrama Segmento
Dados
Dados
Camada de Enlace
Se a camada de rede tem a tarefa de movimentar segmentos da camada de
transporte fim a fim, do hospedeiro de origem ao de destino, a camada de enlace é
encarregada de movimentar datagramas de camada de rede nó a nó por um único
enlace de caminho, sendo uma característica importante o fato de que um
datagrama pode ser transportado pelo protocolo Ethernet no primeiro enlace, pelo
PPP no último enlace e por um WAN de camada de enlace nos enlaces
intermediários.
I.P.
Ethernet
I.P.
I.P.
FRAME RELAY
I.P.
Ethernet
Camada de Enlace
Embora o serviço básico de qualquer camada de enlace seja mover um datagrama
de um nó até um nó adjacente por um único enlace de comunicação, os detalhes do
serviço podem variar de um protocolo de camada de enlace para outro.
Dentre os serviços que podem ser oferecidos figuram:
• Enquadramento de dados: Quase todos os protocolos de camada de enlace
encapsulam cada datagrama de camada de rede dentro de um quadro, consiste
em um campo de dados no qual o datagrama da camada de rede é inserido e em
uma série de campos de cabeçalho, de camada de enlace antes de transmiti-lo
pelo enlace.
• Acesso ao enlace: Um protocolo de controle de acesso ao meio (MAC) especifica
as regras segundo as quais um quadro é transmitido pelo enlace. Para enlaces
ponto-a-ponto, o protocolo MAC é simples, o remetente pode enviar um quadro
sempre que o enlace estiver ocioso.
Camada de Enlace
• Entrega confiável: Quando o protocolo fornece esse serviço, ele garante que vai
transportar cada datagrama pelo enlace sem erro. Um serviço confiável de
entrega de camada de enlace é muito usado por enlaces que costumam ter altas
taxas de erro, como é o caso de um enlace sem fio. Contudo a entrega confiável
de camada de enlace pode ser considerada uma sobrecarga desnecessária para
enlaces de baixa taxa de erros. Muitos protocolos de camada de enlace com fio
não fornecem entrega confiável.
• Controle de fluxo: Os nós de cada lado de um enlace têm uma capacidade
limitada de armazenar quadros, por isso, um protocolo de camada de enlace
pode fornecer controle de fluxo para evitar que o nó remetente de um lado de
um enlace congestione o nó receptor do outro lado do enlace.
Camada de Enlace
• Detecção de erros: Erros de bits são introduzidos por atenuação de sinal e ruído
eletromagnético, como não há necessidade de repassar um datagrama que tem
um erro, muitos protocolos oferecem detecção de erros. Isso é feito obrigando o
nó transmissor a enviar bits de detecção de erros no quadro e obrigando o
receptor a realizar um verificação de erros. A detecção de erros na camada de
enlace geralmente é mais sofisticada e é implementada por hardware.
• Correção de erros: É semelhante à detecção de erros, exceto que um receptor
não somente detecta se foram introduzidos erros, mas também determina
exatamente em que lugar do quadro os erros ocorreram e então os corrige.
Alguns protocolos fornecem a correção apenas para o cabeçalho do pacote e não
para o pacote inteiro.
• Half-duplex e full-duplex: Com transmissão full-duplex, os nós em ambas as
extremidades de um enlace podem transmitir pacotes ao mesmo tempo. Com
transmissão half-duplex um nó não pode transmitir e receber pacotes ao mesmo
tempo.
Camada de Enlace
Protocolos:
Os protocolos da camada de enlace são divididos de acordo com o tipo de acesso ao meio:
Acesso múltiplo: Vários equipamentos compartilhando o mesmo meio. O mesmo domínio de
broadcast.
Acesso múltiplo com acesso aleatório: Com tantos equipamento utilizando o mesmo domínio
não é raro ocorrer uma colisão. Quando ocorre uma colisão cada nó retransmite seus dados
em um tempo aleatório independente. Um exemplo de protocolo de acesso múltiplo e
aleatório é o CSMA (Carrier Sense Multiple Access).
Camada de Enlace
CSMA/CD
Duas regras são incorporadas neste protocolo.
Detecção de portadora: O nó ouve o canal antes de transmitir.
Detecção de colisão (CD – Collision Detection): O nó ouvi durante a transmissão e detecta
que outro nó esta transmitindo e interferindo na sua transmissão.
O protocolo Ethernet é um protocolo CSMA que usa detecção de colisão
Camada de Enlace
Protocolos
Acesso múltiplo com revezamento e seleção: O protocolo de seleção requer que um dos
nós seja designado como nó mestre e este nó seleciona cada um dos nós para permitir ele
transmitir uma determinada quantidade de quadros e repassa a permissão para outro nó.
O protocolo Bluetooth é um exemplo.
Acesso múltiplo com revezamento e passagem de permissão: O protocolo de passagem
de permissão não requer que um nó seja designado como mestre. Um pequeno quadro
chamado token é passado entre os nós obedecendo uma determinada ordem fixa. O nó
que precisa transmitir quadros “pega” o token e transmite uma certa quantidade de dados
e repassa o token para o próximo.
O protocolo FDDI é um exemplo.
Camada de Enlace
Redes locais
Nos anos 80 duas tecnologias de LAN eram populares. A Ethernet (IEEE 802.3) para acessos
aleatórios e a Token Ring (IEEE 802.5) para passagem de permissão.
A Ethernet hoje é a mais popular e utilizaremos ela para estudar em mais detalhes a
camada de enlace em redes locais.
Endereçamento na camada de enlace:
O endereçamento de camada de enlace também é conhecido como endereço LAN,
endereço físico ou endereço MAC.
Na Ethernet o endereço MAC tem 6 bytes que são expressos em hexadecimal:
Resultado do comando arp -a
Estes endereços são projetados para serem permanentes e a única maneira de trocá-los
deveria ser trocando a placa, mas é possível alterá-los via software.
Camada de Enlace
MAC
O endereços MAC deve ser único e a IEEE gerencia os endereço, então quando uma
empresa quer produzir placas deve antes conversar com a IEEE.
Endereços MAC são lineares ao contrário do I.P. que é hierárquico.
O adaptador envia um quadro contendo o endereço MAC destino via broadcast, então
todos recebem e apenas o com o endereço MAC correto extrai o quadro e repassa o
datagrama para a camada superior.
Caso o quadro seja para todos o endereço de destino será broadcast MAC (ff-ff-ff-ff-ff-ff)
ARP
Quando um nó deseja enviar uma mensagem e não sabe o MAC do destino ele gera uma
consulta ARP com o endereço I.P. do destino no broadcast MAC, então o nó que esta com o
endereço I.P. responde com seu MAC apenas para o nó que fez a pesquisa.
Cada host possui uma tabela ARP interna que é criada e atualizada dinamicamente.
Camada de Enlace
ARP
Em um mesmo domínio de broadcast o processo é simples, mas em uma comunicação
entre duas redes diferentes?
200.200.200.2
AA-BB-CC-00-11-22
200.200.200.1
BB-BB-CC-00-11-33
100.100.100.1
CC-BB-CC-00-11-44
100.100.100.2
DD-BB-CC-00-11-55
O computador com I.P. 200.200.200.2 quer enviar uma mensagem ao 100.100.100.2, mas se
ele enviar uma consulta arp com este I.P. de destino não funcionará, pois ele não esta na
mesma rede e não receberia o broadcast, então o correto é o computador endereçar o
quadro com o destino 100.100.100.2 e o MAC da sua rota de saída da rede, que é a do
roteador 200.200.200.1, e esta como sabemos utilizará sua tabela de roteamento para
encaminhar o os dados para a interface correta e lá uma nova consulta arp será efetuada e o
I.P. de destino encontrado.
Camada de Enlace
Ethernet
A LAN Ethernet original foi inventada em meados da década de 70 e desde então se tornou
cada vez mais popular e superou suas concorrentes com cada vez mais velocidade e
equipamentos com custos acessíveis.
De cabos coaxiais em redes de barramento passou para redes estrela com hubs, que
ainda permitiam colisões e hoje os hubs foram substituídos em sua maioria por
comutadores (switches) resolvendo o problema de colisões.
Preâmbulo
Endereço de
destino
Endereço de
origem
Tipo
Dados
Quadro Ethernet
Preâmbulo: é utilizado para iniciar e sincronizar a comunicação de dados.
Tipo: I.P., AppleTalk, ARP e etc.
CRC: é utilizado para verificação de erros.
CRC
Camada de Enlace
Ethernet com comutadores e roteadores
Domínio de colisão e broadcast
Domínio de broadcast
switch
Roteador
HUB
Domínio de colisão
Domínio de colisão
O switch esta sem VLAN
Camada de Enlace
Camada 2
Estudamos exemplos de protocolos da camada 2 focados em rede local e agora serão
citados exemplos de protocolos utilizados em redes WAN.
Ethernet
FRAME RELAY
PPP
HDLC
X.25
FDDI
ATM
Ethernet
Camada de Enlace
Ethernet
10BASE-T, 10BASE-2, 100BASE-T, 1000BASE-LX e 10GBASE-T dão algumas das tecnologias
Ethernet padronizadas pela IEEE.
A primeira parte refere-se à velocidade 10, 100 FastEthernet, 1000 Gigabit Ethernet e
10000 10-Gigabit Ethernet, a última parte é a mídia física no caso T de twisted (par
trançado) e LX para fibra óptica.
Fibra óptica
Cabo de par trançado
Conectores
Comutação
Comutação é a forma como os dados são trocados entre dois computadores em uma
rede. Também conhecida como chaveamento, a comutação em uma rede refere-se à
utilização de recursos de rede para a transferência de dados pelos diversos
equipamentos conectados.
Os comutadores de camada de enlace tem como função receber quadros de camada
de enlace e encaminhá-los para enlaces de saída.
Filtragem é a capacidade que determina se um quadro deve ser repassado para
alguma interface ou se deve apenas ser descartado. Repasse é a capacidade de um
comutador que determina as interfaces para as quais um quadro deve ser dirigido e
então dirigir o quadro a essas interfaces. Filtragem e repasse de comutadores são
feitos com uma tabela de comutação.
Comutação
Um registro de um nó na tabela de comutação contém:
-O endereço MAC do nó;
-A interface do comutador que leva em direção ao nó.
-E o horário em que o registro foi colocado na tabela.
Supondo que um quadro com endereço de destino DD-DD-DD-DD-DD-DD chegue ao
comutador na interface X, o comutador indexará sua tabela com o endereço MAC
DD-DD-DD-DD-DD-DD, existindo três casos possíveis:
• Não existe entrada na tabela, caso no qual o comutador encaminha anteriormente
cópias do quadro para os buffers de saída a todas as interfaces, exceto a interface X.
• Existe uma entrada na tabela, associando DD-DD-DD-DD-DD-DD com a interface X.
Não há necessidade de encaminhar o quadro para qualquer outra interface, o
comutador realiza a função de filtragem ao descartar o quadro.
• Existe uma entrada na tabela, associando DD-DD-DD-DD-DD-DD com a interface Y,
caso no qual o quadro precisa ser encaminhado ao segmento da LAN anexado à
interface Y. O comutador realiza sua função de encaminhamento.
Comutação
Um comutador tem a propriedade de montar sua tabela automática, dinâmica e
automaticamente, sem nenhuma intervenção de um administrador de rede ou de
um protocolo de configuração:
• A tabela de comutação inicialmente está vazia
• Para cada quadro recebido em uma interface, o comutador armazena em sua
tabela o endereço MAC, registrando assim o segmento MAC no qual reside o nó
remetente
• O comutador apagará um endereço na tabela se
nenhum quadro que tenha aquele endereço como
endereço de fonte for recebido após certo período de
tempo. Desse modo se um PC for substituído por
outro, o endereço MAC do PC original acabará sendo
expurgado da tabela
Pontes e Switches
Tanto a Ponte quanto o Switch segmentam o tráfego, pois impedem que o tráfego
gerado entre computadores do mesmo segmento, passem para o outro segmento.
Uma grande rede pode ser segmentada em redes menores usando várias pontes ou
switches.
Essa segmentação aumenta a performance da rede já que teremos menos
computadores competindo pelo acesso ao cabo no mesmo segmento.
Operação
O propósito original de uma ponte era conectar dois segmentos Ethernet LAN.
A ponte iria ler todos os quadros em cada segmento e encaminhar somente os
quadros que foram abordados para computadores no outro segmento.
Portas
Tradicionalmente uma ponte tinha duas portas e
encaminharia quadros entre os dois portos.
Quando Ethernet começou a utilizar a fiação de
par trançado, como é comum hoje em dia, pontes
com várias portas se tornaram comum. Hoje, cada
computador se conecta a uma porta do switch.
Switches
Funcionamento de um Switch
O princípio básico de funcionamento de um switch é através da comutação dos
quadros de acordo com o endereço de hardware, ou seja, através do MAC Address.
Seu funcionamento deve ser o mais rápido possível, para que não cause muita latência
na rede.
Como eles apenas analisam dados referentes a camada de Enlace do Modelo OSI,
endereçamento lógico na camada de rede não é levado em consideração, o que torna
mais simples o processo de encaminhamento dos quadros.
Durante o processo de encaminhamento dos dados, o conteúdo do quadro não é
modificado, apenas sua PDU, que pode sofrer mudanças nos endereços de destino.
Podemos utilizar a comutação da camada de enlace para delimitação entre grupos de
trabalhos e quebra dos domínios de colisão. Porém, para que a delimitação seja
eficiente, é importante que ao menos 80% do tráfego gerado seja de destino no
mesmo segmento de rede.
Redes comutadas quebram domínios de colisão, entretanto, a rede ainda é um grande
domínio de broadcast, ou seja, switches de camada 2 não podem substituir
completamente os roteadores em uma rede.
Switches
As principais funções dos switches são:
• Aprendizagem de Endereços: Os switches têm a capacidade de aprender quais
endereços são acessados em cada uma de suas interfaces.
• Decisões de Encaminhamento: Assim que um quadro é recebido em alguma das
portas do switch, ele verifica o endereço do hardware de destino consta na tabela
MAC, enviando o dado para a interface indicada na tabela. Se o endereço não
constar na tabela, o quadro é propagado para todas as interfaces ativas, com
exceção da interface na qual ele foi recebido.
• Inibição de Loops: Em uma rede de alta disponibilidade é necessário o
estabelecimento de links redundantes entre os switches, de maneira que haja
caminhos alternativos em caso de falhas. Onde houver redundâncias haverão loops,
fazendo com que os switches fiquem propagando continuamente quadros repetidos
na rede. Esse fenômeno chama-se tempestade de broadcast. O protocolo STP é
utilizado para evitar loops, permitindo a criação de links redundantes.
Switches
Cascateamento X Empilhamento
• Cascateamento: Vários comutadores podem ser interligados em uma configuração
hierárquica caracterizando o que se chama de cascateamento. No cascateamento, a
interligação se dá através de uma porta de um equipamento com a outra porta de
outro equipamento, sendo a largura de banda limitada à velocidade da porta. As
regras para o cascateamento dependem das especificações dos dispositivos porque
neste tipo de ligação, e em geral, à medida que vai se "cacasteando", o desempenho
da rede vai piorando. Dentro das limitações impostas por cada fabricante, é possível
interligar equipamentos distintos e de marcas distintas. Por exemplo, deve-se
obedecer à regra "5-4-3“ (5 segmentos conectados por 4 hubs e somente 3 deles
podem ser povoados) para repetidores em série quando em redes de 10 e 100
Mbps, porém, redes de 1 Gbps permitem somente um único repetidor, ou seja, não
é permitido cascateamento de repetidores (hubs) em redes de 1Gbps. Quanto ao
uso de comutadores (switches) não há limitação de segmentação estipulada pela
tecnologia, porém, deve-se observar as normas do Sistema de Cabeamento
Estruturado.
Switches
Cascateamento X Empilhamento
• Empilhamento: No empilhamento, a interligação ocorre através de uma porta
específica para empilhamento ("stack") e cada fabricante possui um tipo de
interface própria a qual possui velocidade transmissão maior que a velocidade das
portas de conexão. Nesse caso, o empilhamento pode ser feito apenas entre
equipamentos de um mesmo fabricante. Os equipamentos assim empilhados
tornam-se um único equipamento.