3. Fundamentos de LANs

1. 3. Fundamentos de LANs • Uma Visão Geral das LANs Ethernet Modernas • Um breve histórico da Ethernet • Cabeamento Ethernet UTP • Melhorando o Desempenho Através do Uso de Switches em vez de Hubs • Protocolos de Enlace para Ethernet

2. Ethernet – Introdução 1/3 • A maior parte do tráfego da Internet tem origem em ligações Ethernet. • Razões do sucesso da Ethernet: • Simplicidade e fácil manutenção; • Capacidade de introdução de novas tecnologias; • Confiabilidade; • Baixo custo de instalação e de atualização. • Existem versões desde 10 Mbps até às mais recentes de dezenas de Gbps. • A primeira norma Ethernet foi publicada em 1980 pela Digital Equipment Company, Intel e Xerox (DIX). • A Ethernet é uma norma aberta.

3. Ethernet – Introdução 2/3 • O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) em 1985 publicou um conjunto de normas para Redes Locais, a norma 802.3. • Foi lançada a norma 802.3 onde foram feitas pequenas modificações à norma DIX. • As diferenças entre as duas normas são quase insignificantes. • Uma NIC (Network Interface Controler) pode receber e transmitir quadros Ethernet e Ethernet 802.3.

4. Nomenclatura Ethernet2/3 Existem vários tipos de Ethernet: Ethernet – 10 Mbps Fast Ethernet – 100 Mbps Gigabit Ethernet – 1 000 Mbps O formato dos quadros mantém-se em todas as variantes. Descrição abreviada: Velocidade de transmissão em Mbps. Tipo de transmissão: BASE – O sinal digital é enviado diretamente para o meio de transmissão; BROAD – Uma portadora é modulada pelo sinal digital.

5. Capítulo 3 – Fundamentos de LANs • Objetivos • A. Uma Visão Geral das Lans Ethernet Modernas: Fornece algumas perspectivas para pessoas que já tenham usado Ethernet no trabalho ou na escola, mas que não tenham examinado os detalhes. • B. Um Breve Histórico da Ethernet: Examina diversas alternativas para cabeamento e dispositivos Ethernet disponíveis no passado como ponto de partida para comparação com o cabeamento, os dispositivos e a tecnologia atuais. • C. Cabeamento Ethernet UTP: Explica as opções para cabeamento e esquemas de pinagem. • D. Melhorando o Desempenho Através do Uso de Switches em vez de Hubs: Um exame mais detalhado das melhorias de desempenho conseguidas através do uso de switches em vez dos antigos hubs Ethernet. • E. Protocolos de Enlace para Ethernet: Explica o significado e o propósito dos campos existentes no cabeçalho e no rodapé Ethernet. Carlos Artur Guimarães arturguimaraes@gmail.com

6. A. Uma Visão Geral das Lans Ethernet Modernas1/3 • Os padrões LAN: Token Ring, FDDI ( Fiber Distributed Data Interface, ou FDDI) e o ATM ( Asynchronous Transfer Mode). • O termo Ethernet refere-se a uma família de padrões que, juntos, definem as camadas física e de enlace do tipo mais popular de LAN do mundo. • Os padrões variam em termos de velocidade suportada, tipo de cabeamento e ao comprimento máximo do cabo. • Os padrões Ethernet mais utilizados permitem o uso do cabeamento de par-trançado não-blindado ( unshielded twisted-pair ou UTP). • O cabeamento de fibra ótica, é mais caro, mas possui melhor alcance e é mais seguro.

7. A. Uma Visão Geral das Lans Ethernet Modernas2/3 • A maioria dos padrões definem uma variação da Ethernet no nível da camada física, com diferenças em velocidade e tipos de cabeamento. • Para a camada de enlace, o IEEE separa as funções em duas sub-camadas: • A sub-camada de Controle de Acesso à Mídia 802.3 (802.3 Media Access Control, ou MAC) • A sub-camada de Controle de Enlace Lógico 802.2 (802.2 Logical Link Control, ou LLC) • O nome alternativo para cada tipo de Ethernet lista a velocidade em Mbps. • O T e o TX refere-se ao uso de cabeamento UTP, com o T referindo-se ao T de par trançado.

8. A. Uma Visão Geral das Lans Ethernet Modernas3/3 • Para montar e ativar uma LAN moderna usando qualquer um dos tipos de LANs Ethernet baseadas em UTP é preciso: • Computadores que tenham uma placa de interface de rede (NIC) Ethernet instalada • Um hub Ethernet ou um switch Ethernet • Cabos UTP para conectar cada PC ao hub ou switch • Funções de uma LAN: • Compartilhamento de arquivos • Compartilhamento de impressoras • Transferências de arquivos • Jogos

9. B. Um Breve Histórico da Ethernet Os Padrões Ethernet Originais: 10BASE2 e 10BASE5 ½ • Essas duas especificações Ethernet definiram os detalhes das camadas física e de enlace das primeiras redes Ethernet. Com essas especificações era possível instalar uma série de cabos coaxiais conectando cada dispositivo de rede Ethernet. • A Ethernet consistia unicamente das várias placas de rede instaladas nos computadores e do cabeamento coaxial. A série de cabos criava um circuito elétrico, chamado de bus, que era compartilhado entre todos os dispositivos da Ethernet. Quando um computador queira enviar alguns bits para outro computador do bus, enviava o sinal elétrico e a eletricidade se propagava para todos os dispositivos da Ethernet.

10. B. Um Breve Histórico da Ethernet • Os Padrões Ethernet Originais: 10BASE2 e 10BASE5 2/2 • A rede usava um único bus, se dois ou mais sinais elétricos fossem mandados ao mesmo tempo, eles se encontrariam e colidiriam, tornando ambos os sinais inteligíveis. • Para evitar esse problema foi criado uma especificação para garantir que apenas um dispositivo enviasse tráfego na Ethernet por vez. • CSMA/CD {(carrier sense multiple access with collision detection) detecção de portadora para múltiplo acesso com detecção de colisão} • Esse algoritmo, tem a função de definir a forma como o bus é acessado. • Funcionamento do CSMA/CD: • Um dispositivo que queira enviar um frame esperará até que nenhum frame esteja sendo enviado, antes de se enviar o sinal elétrico. • Se uma colisão ainda ocorrer, os dispositivos que causaram a colisão esperam por um período de tempo aleatório e depois tentam novamente.

11. B. Repetidores • 10BASE5 E 10 BASE2, o 5 e o 2 dos nomes representam a extensão máxima para os cabos, com o 2 referindo-se a 200 metros ( 185m ) e o 5 referindo-se a 500 metros. Ambos tinham velocidade de 10 Mbps. Para aumentar a extensão máxima dos cabos foi criado o repetidor. • Atenuação: significa que quando sinais elétricos passam através de um fio, o sinal vai perdendo força á medida que viaja dentro do cabo. • Funcionamento de um repetidor: • Os repetidores se conectam a múltiplos segmentos de cabos, recebem o sinal elétrico em um cabo, interpretam os bits como 1s e 0s e, então geram um novo sinal, limpo e forte, para ser enviado através do outro cabo. Um repetidor não amplifica o sinal simplesmente, pois amplificar o sinal poderia fazer com que o ruído no caminho também se amplificasse.

12. B. Criando Redes 10BASE-T com Hubs • Cronologicamente, o padrão 10BASE-T veio em seguida (1990), seguido pelo 100BASE-TX (1995) e depois pelo 1000BASE-T (1999). • 10BASE-T – Permitiu o uso de cabeamento telefônico UTP que já estaria instalado. Foi nesse padrão que se estabeleceu o conceito de rede estrela. O conceito de se cabear cada dispositivo a um ponto de conexão centralizada. • Os hubs são essencialmente repetidores com múltiplas portas físicas, que fornecem um ponto de conexão centralizado para o cabeamento UTP. • Redes 10BASE-T usando hubs passam a ter maior disponibilidade, pois na época das LANs 10BASE5 e 10BASE2, um problema com um único cabo podia fazer, a rede cair. Quando ocorre problemas com um cabo rede 10BASE-T, o dispositivo conectado ao cabo defeituoso que é prejudicado.

13. B. – Resumo • As LANs Ethernet originais criavam um bus elétrico ao qual todos os dispositivos se conectavam. • Pelo fato de que colisões ocorriam nesse bus, a Ethernet definiu o algoritmo CSMA/CD, o qual definia uma forma tanto de evitar as colisões quanto de agir quando elas acontecessem. • Os repetidores estendiam o tamanho das LANS ao limpar o sinal elétrico e repeti – lo uma função de Camada 1 – mas sem interpretar o significado do sinal elétrico. • Repetidores 10BASE2 e 10BASE5 ampliavam o tamanho das LANS limpando o sinal elétrico e repetind-o – uma função de CAMADA 1 – mas sem interpretar o significado do sinal elétrico. • Pelo fato de que colisões podem ocorrer em qualquer um desses casos, a Ethernet definiu algoritmo CSMA/CD que diz aos dispositivos como evitar colisões e que medidas tomar quando elas acontecem.

14. C. Cabeamento Ethernet UTP 1/2 • Cabos UTP e Conectores RJ-45 • Inclui 2 ou 4 pares de fios. • O cabo possui um revestimento externo de plástico flexível para apoiar o fio. • Cada fio de cobre possui um fino revestimento plástico para evitar que o fio se quebre. • O revestimento de cada fio tem uma cor diferente, facilitando a identificação dos terminais em um determinado fio.

16. C. Cabeamento Ethernet UTP 2/2 • As extremidades do cabo normalmente possuem algum tipo de conector instalado ( geralmente conectores (RJ-45) com os terminais dos fios inseridos nos conectores. • O conector RJ-45 possui oito lugares físicos específicos, nos quais os oito fios do cabo são inseridos, chamados de pinos. • Quando os conectores são adicionados à extremidade do cabo, os terminais dos fios devem ser inseridos nas posições dos pinos corretos. • O conector RJ-45 precisa ser inserido em um receptáculo RJ-45, frequentemente chamado de porta RJ-45.

23. C. GBIC ou SFP • Embora os conectores e portas RJ-45 sejam populares, é possível adquirir switches LAN Cisco que tenham algumas portas físicas que possam ser modificadas sem que seja preciso comprar um novo switch. • Gigabit Interface Converters (GBIC) ou Small-Form Pluggables (SFP) • Ambos são dispositivos pequenos e removíveis que se encaixam em uma porta ou slot do switch.

34. SFP

37. C. Transmitindo dados usando-se pares trançado • O cabeamento UTP consiste de pares combinados de fios que são realmente trançados um com o outro. • Os dispositivos de rede criam um circuito elétrico usando cada par de fios e variam o sinal conforme definido pelo esquema de codificação para enviar bits através do par de fios.

38. C. Pinagem de Cabeamento UTP para 10BASE-T e 100BASE-TX ½ • Não existem padrões para a fabricação dos cabos como para as pinagens do cabo, mas nos EUA dois grupos industriais (EIA/TIA) definiram padrões de cabeamento e códigos de cores para os fios e padrões de pinagens para os cabos. Pinagens de Cabeamento Padrão Ethernet EIA/TIA

39. C. Relação par/pinagem

40. Por que é importante saber a pinagem do cabo? • Lembre-se que os padrões Ethernet e Fast Ethernet utilizam dois pares. Um par deve ser usado para enviar dados e o outro para receber. • As placas de rede Ethernet utilizam os pinos 1 e 2 para enviar dados (par 3.Veja a tabela no padrão T568A)  e os pinos 3 e 6 (par 2. Padrão T568A) para receber os dados. Sabendo que as placas de rede operam desta forma os hubs e switches invertem os cabos, ou seja, esperam dados nos pinos 1 e2  (par 3.Veja a tabela no padrão T568A)e enviam nos pinos 3 e 6 (par 2. Padrão T568A). • Sabendo dessa informação fica fácil dizer por que o cabo ligando dois computadores deve ser diferente do cabo ligando um PC a um hub ou switch.

41. Cabo ligando dois computadores • Computador utiliza placa de rede que transmite nos pinos 1 e 2 e recebe nos pinos 3 e 6. Se utilizar um cabo direto (Straight-Through) os computadores vão transmitir nos mesmos fios, colidindo sempre, e nunca vão receber nada,pois vão estar sempre aguardando um ao outro. Por isso deve utilizar o cabo invertido (Cabo Crossover) cujo os fios estão invertidos. Os pinos que transmitem em uma placa são ligados aos pinos que recebem de outra. • Você saberia me dizer qual cabo utilizo para ligar um PC a um roteador? Cabo crossover ou Straight-Through?

42. Resposta • Para responder a esta pergunta você terá que saber quais pinos são utilizados para transmitir e quais são utilizados para receber no roteador, certo? • Tabela:Pares de pinos usados por 10BASE-T e 100BASE-TX

43. C. Cabeamento 1000BASE-T • Este padrão requer 4 pares de fios, alem disso recebe e transmite em cada um dos quatro pares de fios ao mesmo tempo. Ou seja, um fio de cada par transmite e um fio de cada par recebe. • O Cabo direto (Straight-Through) possui a mesma pinagem 1 para 1, 2 para 2,…,8 para 8 .O crossover possui os mesma pinos invertidos mais os pinos 4 e 5 com o 7 e 8.

45. D. Melhorando o Desempenho Através do Uso de Switches em vez de Hubs 1/3 • Para entender esse aumento de desempenho é necessário entender como funciona o hub e como funciona o switch. • Funcionamento do Hub • A placa de rede possui um par de transmissão e um par de recepção. Quando se envia um frame para um hub ele propaga os dados para todas as outras portas menos para aquela que ele recebeu. Se dois ou mais PCs enviarem dados ao mesmo tempo, os PCs detectaram dados no seu par de recepção, o que não deveria acontecer porque eles estão transmitindo, logo significa que houve colisão. • O CSMA/CD ajuda a prevenir colisões e também como agir caso ocorra alguma colisão. Veremos agora uma visão mais detalhada do CSMA/CD

46. D. Melhorando o Desempenho Através do Uso de Switches em vez de Hubs 2/3 • Primeiro passo: Um dispositivo com um frame para enviar monitora a Ethernet até chegar um momento que ela não esteja ocupada. • Segundo passo: Quando a Ethernet estiver livre, o(s) remetente (s) começa(m) a enviar o frame. • Terceiro passo: O remetente(s) monitora a transmissão para checar que não ocorra nenhuma colisão. • Quarto passo: Se ocorrer uma colisão, os dispositivos que haviam enviado o frame enviam, cada um, um sinal de engarrafamento para garantir que os outros dispositivos percebam que houve uma colisão. • Quinto passo: Os dispositivos envolvidos na colisão iniciam um timer aleatório que irá definir o tempo que cada uma esperará antes de tentar enviar o frame novamente. • Sexto passo: Quando o tempo de espera acabar o processo volta para o passo

47. D. Melhorando o Desempenho Através do Uso de Switches em vez de Hubs 3/3 • Com isso podemos concluir que: • 1ª perda • Apenas um dispositivo pode enviar dados de cada vez. Ou seja, outros dispositivos que queiram transmitir vão ter que esperar. Por isso diz que é um processo half-duplex.O dispositivo ou envia ou recebe num determinado momento. • 2ª perda • Quando ocorre colisão, o tempo que foi utilizado foi desperdiçado. E para piorar os dispositivos envolvidos vão esperar um tempo aleatório para voltar a transmitir mesmo que o meio esteja livre.

48. D. Aumentando a Largura de Banda Disponível Usando Switches 1/2 • Conceito importante: domínio de colisão. • Domínio de Colisão é quando existe a possibilidade de colisão entre dispositivos. Ou seja, todas as portas de um Hub fazem parte de um domínio de colisão. • Nos switches cada porta está em um domínio de colisão diferente, ou seja, se em cada porta for ligado um PC, NUNCA haverá colisão. Você deve estar se perguntando como isso é possível? • Diferente dos hubs os switches interpretam os frames que chegam em suas portas e com isso eles podem encaminhar aquele frame para a porta onde se encontra o destinatário não propagando para as demais portas. Por exemplo, um switch com 4 portas e 4 PCs ligados a ela.

49. D. Aumentando a Largura de Banda Disponível Usando Switches 2/2 • O PC1 quer enviar dados para o PC3. Quando o PC1 envia os dados para o Switch ele saberá qual é a porta que o PC3 está (veremos como ele sabe mais adiante) e encaminhará o frame para ela. E se o PC2 estiver enviando dados para o PC3? • Também não tem problema, pois o switch possui buffers que armazenam os frames enquanto o PC2 termina de enviar os frames. E se PC2 enviasse frames para o PC4 enquanto PC1 está enviando para PC3?Também não tem problema algum porque switches não compartilham o barramento. • Cada porta possui sua largura de banda separada. Isso acarreta num significativo aumento de banda. Imagine um hub com 8 dispositivos de 100Mbps conectados a ele. A largura máxima teórica é de 100Mbps enquanto que o switch com os mesmos números de dispositivos de 100 Mbps por porta permitirá uma largura máxima teórica de 800 Mbps. Grande diferença não acha?

50. D. Duplicando o Desempenho Através do Uso de Ethernet Full-Duplex • Perceba que o modo de operação com CSMA/CD impõe que a placa de rede opere no modo half-duplex, já que terá de monitorar o par de recepção para checar se houve colisões. No switch isto não é necessário. Se em cada porta houver apenas um dispositivo nunca haverá colisões. Por que então não aproveitar o par de recepção? • Fazer com que este par receba dado enquanto ocorre uma transmissão significa operar em modo full-duplex. Para usar este modo você deve desabilitar o CSMA/CD. O modo full-duplex duplica o desempenho da sua rede.