Arquitetura de Redes de Computadores - Aula 10

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Arquitetura de Redes
(Infraestrutura de Redes)
Aula 10 - Equipamentos de rede - Parte 2
INTRODUÇÃO
Nesta aula, descreveremos os principais equipamentos de interconexão de redes, enquanto associamos esses
equipamentos ao modelo de camadas TCP/IP.
OBJETIVOS
Explicar o funcionamento do dispositivo de camada física denominado HUB;
Explicar o funcionamento do dispositivo de camada de enlace denominado switch;
Explicar o funcionamento do dispositivo de camada de rede denominado roteador.
COMPREENDER O FUNCIONAMENTO DO DISPOSITIVO DE CAMADA
FÍSICA DENOMINADO HUB
O HUB é um dispositivo de camada física. Isso quer dizer que o HUB não tem nenhuma inteligência em relação a
qualquer protocolo que não pertença à camada física.
Ou seja, o HUB é basicamente capaz de realizar uma tarefa bastante simples: compreende qual bit está chegando por
uma de suas portas para retransmitir esse mesmo bit por todas suas outras portas.
Além dessa tarefa principal, alguns HUBs são capazes de desabilitar uma porta caso detecte que uma interface de
rede defeituosa está conectada a ela, e informar a ocorrência de colisões através de um LED que pisca sempre que
uma colisão é percebida.
O HUB e seu uso mais comum em topologia estrela
Na imagem, temos um exemplo típico de topologia usando um HUB: sempre que um host emite bits, o HUB os repetirá
por todas as outras portas.
Como sua principal tarefa é repetir um bit por todas as outras portas, os HUBs possuem a vantagem de serem
dispositivos simples (glossário) e baratos. Além disso, quando a carga da rede é su�cientemente baixa, os HUBs são
capazes de encaminhar pacotes muito rapidamente, como é mostrado na imagem, abaixo.
O HUB encaminha cada bit adiante assim que os recebe por uma porta
Na imagem, o tempo é representado de cima para baixo. Da esquerda para a direita temos o host/nó transmissor
separado por alguns metros até o HUB que, por sua vez, está distante outros tantos metros do host/nó receptor.
O nó transmissor, à esquerda, inicia a transmissão de um pacote. Os primeiros bits do pacote demoram algum tempo
para propagar pelo meio de transmissão até chegar ao HUB. Esse tempo é denominado tempo de propagação entre o
transmissor e o HUB.
Imediatamente após receber o primeiro bit do pacote, o HUB inicia a retransmissão desse bit para o receptor. À medida
que os bits seguintes vão chegando ao HUB, ele os transmite ao receptor, até que não haja mais dados a serem
repetidos.
POR SEREM DISPOSITIVOS BASTANTES SIMPLIFICADOS, OS HUBS
TAMBÉM POSSUEM DESVANTAGENS
Uma delas é que os HUBs não isolam domínios de colisão. Isso quer dizer sempre que um transmissor emite dados,
haverá colisão se algum outro transmissor também resolver transmitir dados antes de o primeiro transmissor terminar
sua emissão.
Lembre-se de que LANs usam a tecnologia Ethernet que emprega o protocolo CSMA/CD para controle de acesso ao
meio.
Embora o CSMA/CD trabalhe para mitigar a ocorrência de colisões e diminuir o tempo pedido quando há colisões, elas
ainda podem ocorrer e são tão mais frequentes quanto for a demanda dos usuários por transmissão de dados.
Esse problema é tão mais sério quanto for o número de segmentos de LANs interligadas via HUB.
Se 10 segmentos de LAN de 100Mbps estão separados, eles são capazes de alcançar vazão agregada de 1Gbps.
Entretanto, se interligarmos os 10 departamentos usando um HUB de backbone, a vazão agregada cairá para 100Mbps,
já que todos os 10 departamentos farão parte do mesmo domínio de colisão.
Outra desvantagem (glossário) importante é que os HUBs não são capazes de conectar redes de diferentes taxas de
transmissão.
FUNCIONAMENTO DO DISPOSITIVO DE CAMADA DE ENLACE
DENOMINADO SWITCH
Fonte da Imagem:
Diferente dos HUBs, os switches são dispositivos de camada de enlace. Isso quer dizer que os switches são capazes
de compreender e trabalhar com protocolos e cabeçalhos da camada de enlace (exemplo: Ethernet).
A ideia fundamental dos switches é tentar contornar as principais limitações dos HUBs. Para isso, os switches
encaminham quadros de acordo com o endereço MAC (Medium Access Control) de destino.
Para que seja capaz de ler, interpretar e tomar decisões com base em endereços MAC dos cabeçalhos do quadro, o
switch é obrigado a armazenar o quadro em sua memória, para depois processar seus cabeçalhos e posteriormente
encaminhar o quadro de maneira mais e�ciente do que o HUB.
RealVector / Shutterstock
Por isso, diz-se que os switchs em geral trabalham com repasse store-and-forward (armazena e reenvia), conforme
mostrado no exemplo, abaixo.
Ao transmitir o quadro por outra porta, o switch é capaz de usar o protocolo de acesso ao meio (CSMA/CD) para
mitigar a ocorrência de colisões no próximo segmento de LAN.
Por ser um dispositivo mais inteligente (camada de enlace), o switch é capaz de vencer as principais limitações dos
HUBs: isolam domínios de colisão, mesmo quando usado para interligar diferentes segmentos de rede, conforme
ilustrado a seguir.
COMO OS SWITCHES CONSEGUEM CONTORNAR AS LIMITAÇÕES?
Como vimos, os switches possuem diversas vantagens se comparados aos HUBs. Mas como os switches conseguem
contornar todas essas limitações?
Através do aprendizado (glossário), �ltragem e repasse seletivo.
Para facilitar a compreensão, vamos analisar três exemplos. Vamos lá!
EXEMPLO 01
Suponha que um switch acaba de receber um quadro Ethernet pela porta de número 1. O switch veri�ca no cabeçalho
qual é o endereço MAC remetente (exemplo: AA-AA-AA-AA-AA-AA).
Então, o switch registra em sua tabela de comutação que o endereço a interface de rede com endereço MAC AA-AA-
AA-AA-AA-AA está pendurado na porta de número 1, conforme ilustrado na tabela abaixo. Ou seja, o switch aprende em
qual porta a interface de rede com MAC AA-AA-AA-AA-AA-AA está pendurada.
Em seguida, o switch lê o endereço de destino do quadro em questão (exemplo: BB-BB-BB-BB-BB-BB) e procura esse
endereço na sua tabela de comutação.
Caso o endereço BB-BB-BB-BB-BB-BB-BB não seja encontrado, o switch entende que não sabe em qual porta o
destinatário do quadro está pendurado. Então, o quadro será encaminhado e retransmitido por todas as portas do
switch, com exceção da porta 1 pela qual o quadro chegou. Note que não houve repasse seletivo nesse caso.
EXEMPLO 02
Suponha agora que, após receber o quadro do exemplo anterior, a interface de rede BB-BB-BB-BB-BB-BB envie um
quadro destinado à AA-AA-AA-AA-AA-AA. Digamos que esse quadro chegue pela porta de número 5 do switch.
Ao receber esse quadro, o switch novamente executará seu algoritmo de aprendizado, e atualizará sua tabela de
comutação para incluir a informação de que a interface de rede com MAC BB-BB-BB-BB-BB-BB está pendurada na porta
5, conforme mostrado na tabela abaixo.
Em seguida, o switch lerá o endereço MAC de destino do quadro (AA-AA-AA-AA-AA-AA) e realizará uma busca em sua
tabela de comutação. Assim, o switch perceberá que a interface de rede com MAC AA-AA-AA-AA-AA-AA está
pendurada na porta 1.
Então, o switch realiza um repasse seletivo (retransmissão seletiva) do quadro somente por essa porta. Todas as
outras portas do switch nem percebem que um host abaixo da porta 5 enviou um quadro que foi seletivamente
retransmitido para um host abaixo da porta 1.
EXEMPLO 03
Para �nalizar, vamos analisar o terceiro exemplo para compreendermos o processo de �ltragem dos switches.
Suponha que a interface de rede com MAC CC-CC-CC-CC-CC-CC também esteja pendurada na porta 1, e transmite um
quadro destinado ao MAC AA-AA-AA-AA-AA-AA.
Ao chegar no switch, o quadro é processado e o algoritmo de aprendizado entra em ação.
Logo, a tabela de comutação será atualizada conforme mostrado abaixo.
Em seguida, o switch procurará pelo endereço MAC do destinatário (AA-AA-AA-AA-AA-AA) na tabela de comutação, e
notará que ambos (remetente e destinatário) estão pendurados ma mesma porta, ou seja, fazem parte do mesmo
segmento de LAN.
Dessa forma, o switch entende que não é preciso repassar esse quadro adiante, e simplesmente o descarta. Esseprocesso é denominado �ltragem.
Note que nenhuma outra interface de rede pendurada em qualquer outra porta do switch percebe que houve
transmissão de dados nesse caso, já que o remetente e o destinatário estavam no mesmo segmento de LAN.
O trabalho em conjunto dos algoritmos de aprendizagem, �ltragem e retransmissão (glossário) seletiva é o que, na
prática, resulta isolamento de domínios de colisão.
Atenção
, A este ponto, você já deve ter notado uma característica muito interessante dos switches: eles são plug-and-play., , Em outras
palavras, não é necessário realizar nenhum tipo de con�guração em switches para que ele comece a operar em redes. Essa é
outra grande vantagens dos switches: facilidade de uso.., , Vale ressaltar que o funcionamento dos switches é transparente. Ou
seja, os hosts sequer notam a existência dos switches, e não é necessário con�gurar nos hosts qualquer informação sobre os
switches para que a rede funcione., , Além das funções básicas já discutidas, os switches são capazes de implementar funções
mais elaboradas. Como essas funções estão fora do contexto desta disciplina, elas serão brevemente comentadas aqui.
(galeria/aula10/docs/a10_04_01.pdf)
FUNCIONAMENTO DO DISPOSITIVO DE CAMADA DE REDE
DENOMINADO ROTEADOR
Roteadores são comutadores de pacotes do tipo armazena e repassa, que transmitem pacotes usando endereços da
camada de rede.
Embora um switch também seja um comutador de pacotes do tipo armazena e repassa, ele é, em essência, diferente
de um roteador, pois repassa pacotes usando endereços MAC.
Enquanto um roteador é um comutador de pacotes da camada 3, um comutador opera com protocolos da camada 2.
Mesmo sendo fundamentalmente diferentes, é comum que os administradores de rede tenham de optar entre um
switch e um roteador ao instalar um dispositivo de interconexão.
Nos cenários de interconexão de departamentos vistos nesta aula, um roteador permitiria a comunicação
interdepartamental sem criar colisões, pois eles isolam o domínio de broadcast. (glossário)
Conheça, a seguir, os prós e contras do uso de cada um desses dispositivos:
Prós e os contras de switches
Vamos considerar os prós e os contras de switches quando comparados aos roteadores.
Como já dissemos, comutadores são do tipo plug-and-play, o que é uma importante
vantagem.
Eles também podem ter velocidades relativamente altas de �ltragem e repasse de pacotes,
pois têm que processar quadros apenas até a camada 2 (enlace), enquanto roteadores têm
de processar pacotes até a camada 3 (rede).
https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/gon628/galeria/aula10/docs/a10_04_01.pdf
Por outro lado, para evitar a circulação dos quadros por difusão, a topologia de uma rede de
comutação está restrita a uma spanning-tree, que é automaticamente obtida através do
protocolo STP, mesmo que o administrador tenha criado uma topologia com ciclos.
E, mais, uma rede de comutação de grande porte exigiria, nos hospedeiros e roteadores,
tabelas ARP também grandes, gerando tráfego e processamento ARP inviavelmente altos.
Além disso, comutadores são suscetíveis a tempestades de difusão — se um hospedeiro se
desorganiza e transmite uma corrente sem �m de quadros Ethernet destinados à FF-FF-FF-
FF-FF-FF, os comutadores repassam todos esses quadros, causando o colapso da rede
inteira.
Prós e os contras dos roteadores
Agora, vamos considerar os prós e os contras dos roteadores.
Como na camada de rede o endereçamento IP é hierárquico (hosts de uma mesma rede
possuem a mesma parcela de rede), os pacotes em geral não �cam circulando nos
roteadores, mesmo quando a rede tem trajetos redundantes.
Assim, a topologia de uma rede interconectada por roteadores não �ca restrita a uma
spanning-tree, e podem escolher o melhor caminho, entre os vários trajetos possíveis até o
destino.
Como roteadores não sofrem essa limitação, eles permitiram que a Internet fosse montada
com uma topologia rica que inclui, por exemplo, múltiplos enlaces ativos entre continentes.
Isso é de vital importância, tanto para o desempenho otimizado quanto para a robustez da
Internet.
Outra característica dos roteadores é que eles fornecem proteção de �rewall contra ataques
maliciosos, como as tempestades de difusão da camada de enlace.
A desvantagem mais signi�cativa dos roteadores talvez seja o fato de não serem do tipo
plug-and-play. Ou seja, os hosts que se conectam aos roteadores precisam conhecer um de
seus endereços IP para que possam usar seus serviços (default gateway).
Além disso, roteadores muitas vezes apresentam tempo de processamento por pacote
maior do que comutadores, pois têm de processar até os campos da camada de rede.
ATIVIDADE
Alguns tipos especiais de switches são vendidos pelos fabricantes como equipamentos que trabalham com cut-
through ao invés de store-and-forward, que é em geral usado.
Explique a diferença entre essas duas técnicas.
Resposta Correta
Glossário
VANTAGENS DA SIMPLICIDADE DO HUB
O funcionamento extremamente simpli�cado do HUB traz algumas vantagens:
1. Não há armazenamento de dados no HUB. Logo, não há como haver formação de �las nos HUBs;
2. O HUB não gasta nenhum tempo para ler e processar cabeçalhos de camada de enlace ou de camada de rede. Então, um
pacote que passa por um HUB não sofre desses tipos de atrasos adicionais.
Esse tipo de repasse de pacotes bit-a-bit sem que atrasos adicionais sejam gerados é denominado cut-through.
OUTRA DESVANTAGEM
Por exemplo, suponha que o Departamento 1 da seja 10Base 2, e o Departamento 2 seja 100BaseT.
Como as taxas de transmissão são diferentes, é impossível interligar os dois departamentos sem fazer algum buffer de quadros
no ponto de interconexão.
Como o HUB é um dispositivo cut-through, ele não pode interconectar segmentos de LAN em velocidades diferentes.
Outra limitação é que cada tecnologia Ethernet possui restrições quanto ao número máximo de hosts que podem fazer parte do
mesmo domínio de colisão..
Se o número de hosts no mesmo domínio de colisão for muito alto, a ocorrência de colisões será tão alta que pode inviabilizar o
desempenho da rede. Com isso, o uso de HUBs acaba se tornando uma solução ruim em projetos multiníveis, como apresentado
na na imagem anterior, ou maiores.
APRENDIZADO
É a capacidade que os switches possuem de saber quais são as interfaces de rede (endereços MAC) que estão penduradas em
cada uma de suas portas.
O algoritmo de aprendizado dos switches é muito simples e e�ciente.
APRENDIZAGEM, FILTRAGEM E RETRANSMISSÃO
A coluna “horário” da tabela de comutação serve para que o switch saiba há quanto tempo aquele aprendizado ocorreu.
Se um aprendizado não for atualizado por um tempo (tipicamente 20 minutos), então a entrada correspondente será removida da
tabela de comutação.
Isso é feito para evitar que a tabela de comutação �que desatualizada.
Lembre-se de que cada placa de rede vem com um endereço MAC. Caso uma placa de rede seja substituída, então aquele
endereço MAC não existiria mais na rede e a tabela de comutação do switch �caria com entradas inválidas, se não houvesse
remoção de valores não usados há um tempo.
EXEMPLO
Quadros Ethernet destinados à FF-FF-FF-FF-FF-FF não são repassados adiante por roteadores, além de isolar domínios de colisão.