CAMADA DE ENLACE Ethernet Introdução VLANs Protocolos Spanning-Tree PVST Rapid-PVST MST

1. CAMADA DE ENLACEEthernetIntroduçãoVLANsProtocolos Spanning-Tree PVSTRapid-PVSTMST

2. I – Introdução ao Ethernet

3. Evolução do Ethernet • 1970 - 1976 – Xerox Corporation • Robert Metcalfe • Artigo: “Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks” • 3 Mbps • CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection • 1980 – Xerox, Digital, Intel • Robert Metcalfe fundou a 3Com • Ethernet I: não mais usado • Ethernet II: formato DIX (DEC, Intel, Xerox) • Padrão proposto em 10 Mbps • 1985 • ANSI/IEEE 802.3 • Formato do quadro: IEEE 802.3 LLC

4. QUADROS ETHERNET II • O quadro (frame) é a menor estrutura de informação transmitida através de uma rede local. ENDEREÇO (FÍSICO) DE DESTINO (6 bytes) FRAME CHECK SEQUENCE (4 bytes) ENDEREÇO (FÍSICO) DE ORIGEM (6 bytes) TIPO ou TAMANHO (2 bytes) FCS DA DADOS SA Length/ Type 46 – 1500 bytes FECHO CABEÇALHO

6. Comunicação no Modelo OSI protocolo aplicação Aplicação Aplicação protocolo apresentação Apresentação Apresentação protocolo sessão Sessão Sessão protocolo transporte Transporte Transporte protocolo rede Rede Rede protocolo enlace Enlace de Dados Enlace de Dados protocolo da camada física Física Física

7. Camadas do Modelo OSI HTTP, FTP,, DNS, DHCP, etc Aplicação Gateway de Aplicação JPEG, MPEG, etc Apresentação RPC, NFS, SQL, etc Sessão TCP, SPX, NetBEUI segmento Transporte pacote Rede IP, IPX, OSPF Router quadro Enlace de Dados Ponte, Switch Ethernet, PPP, HDLC bit Hub, Repetidor Física

8. Padrões IEEE 802.3 • A camada de enlace é dividida em 2 sub-camadas • Camada LLC: Logical Link Control • Camada MAC: Medium Access Control Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Logical Link Control (LLC) IEEE 802.2 Enlace de Dados Media Access (MAC) IEEE 802.3 Física Physical (PHY)

9. Quadro Ethernet • Os quadros Ethernet incluem informações de preâmbulo utilizados para sincronização e delimitação dos quadros.

10. Tipos de Quadros Ethernet • A máxima unidade transportável em quadros Ethernet (MTU) é 1500 bytes. • Dois tipos de quadros Ethernet são utilizados. • Formato DIX: Utiliza o campo Type • Formato IEEE 802.x LLC: Utiliza o campo Length • Valores até 1500: • O quadro é do tipo IEEE 802.x, e o significado do campo é Tamanho • Valores acima de 1500 • O quadro é do tipo Ethernet II, e o significado do campo é Tipo • Exemplos: 0x0806 ARP, 0x0800 IP

11. A camada LLC • A camada LLC introduz um nível adicional de endereçamento, permitindo a multiplexagem de vários protocolos sobre a camada MAC. • O cabeçalho LLC pode ser seguido do cabeçalho SNAP (Subnetwork Access Protocol) que inclui um campo com a mesma função que o Ethertype do formado DIX. IEEE Organizationally Unique Identifier

12. 1 2 3 4 5 6 Endereço MAC • O padrão IEEE 802 define 2 formas de endereçamento MAC • endereços administrados localmente • Quem instala a placa de rede. • endereços universais • OUI (Organizationally Unique Identifier). • Exemplos de OUI: • XEROX • 00-00-00 a 00-00-09 • CISCO • 00-00-0C OUI Número de Série

13. Endereços MAC • Endereços MAC podem ser individuais ou em grupo. • Endereços de grupo podem ser • broadcast (FF-FF-FF-FF-FF-FF) ou mulitcast (e.g. 01-00-5E-XX-XX-XX)

14. Multicast para Protocolos Padronizados • The following 48-Bit Universal Address Block has been allocated for use by standard protocols: • 0X-80-C2-00-00-00 to 0X-80-C2-FF-FF-FF • X = 0 (unicast) • X = 1 (grupo) • IEEE 802.1D MAC Bridge Filtered MAC Group Addresses: • 01-80-C2-00-00-00 to 01-80-C2-00-00-0F; • Não encaminhados por bridges IEEE 802.1D. • Standard MAC Group Addresses: • 01-80-C2-00-00-10 to 01-80-C2-FF-FF-FF; • Encaminhados por bridges IEEE 802.1D.

15. Princípio do Ethernet • A tecnologia de redes locais (Ethernet) baseia-se no princípio de comunicação com broadcast físico. B A DADOS FCS A B C quadro

16. Recepção: Filtragem de Endereços IP REDE INTERRUPÇÃO MAC ENLACE/FÍSICA MACD = PLACA DE REDE LOCAL MACD = BROADCAST (FF.FF.FF.FF.FF.FF) MACD = MULTICAST (01.5E …) MACD MACO DADOS FCS

17. Transmissão: CSMA/CD Número de Tentativas Esgotado ? Meio Livre ? N N Aguarda o meio ficar livre Espera um tempo aleatório S S Iniciar Transmissão Houve Colisão ? S Continuar até atingir o tamanho mínimo N Informa Falha para Camadas Superiores Informa Sucesso para Camadas Superiores

18. ETHERNET NÃO COMUTADATempo para acesso a rede aumenta com o número de terminais. ESCUTANDO ESCUTANDO A B C quadros na fila de espera

19. ETHERNET NÃO COMUTADATaxa de ocupação máxima diminui com a distância entre os terminais • O tempo de propagação entre as estações afeta a taxa de ocupação máxima da rede. T t A TRANSMITE A RECEBE A B RECEBE B TRANSMITE B tempo para o sinal ir de A para B

20. Exemplo • Quadro de 100 bit e Taxa de Transmissão = 10 Mbit/s: • Tempo para transmitir um quadro T = 10 10-6 s • Velocidade de propagação no meio: 200 000 Km/s • Tempo de propagação: t = 1 10-6 s para 200 m • Tempo de propagação: t= 10 10-6 para 2 Km HALF-DUPLEX eficiência = T/(T+t) L eficiência200m = 91% eficiência2Km = 50% eficiência100Mbits e 2Km = 9,1% A B

21. COLISÃO DETECTADA POR A COLISÃO DETECTADA POR C ETHERNET NÃO COMPUTADAExiste possibilidade de colisão A B C A A TRANSMITE t RECEBIDO DE C C RECEBIDO DE A t C TRANSMITE

22. Exemplo • eficiencia = 1/(1 + 6,44t/T) • t: tempo de propagação • L = 200m então t=1 10-6s • T: tempo para transmitir o quadro • T = 10 10-6 s (quadro de 100 bits a 10 Mbits/s) HALF-DUPLEX eficienciaL=200m = 60,8 % L eficienciaL=2Km = 13,4% eficienciaL=2Km e 100Mbits/s = 1,52 % A B

23. LIMITAÇÕES DAS LANS NÃO COMUTADAS • O NÚMERO DE COMPUTADORES É LIMITADO • Como apenas um computador pode transmitir de cada vez, o desempenho da rede diminui na medida em que muitos computadores são colocados no mesmo barramento. • A DISTÂNCIA ENTRE OS COMPUTADORES É LIMITADA • Para evitar colisões, os computadores “escutam” o barramento antes de transmitir, e só transmitem se o barramento estiver desocupado. • Quanto maior a distância entre os computadores, maior a chance de ocorrer colisões no barramento, levando a rede para um estado de colapso e baixo desempenho.

24. C A C C A A HUBS • Hubs ou concentradores são dispositivos que simulam internamente a construção dos barramentos físicos. HUB B C A

25. Repetidor: BIT 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 repetidor amplitude fibra cobre distância

26. Hub: Bit Hub

27. Operação Half-Duplex • O tamanho mínimo do quadro está relacionado com o máximo diâmetro de colisão. • O quadro deve ser suficientemente grande para que a colisão seja detectada pelo transmissor antes que a transmissão termine. • Isso impõe limitações ao tamanho mínimo de um quadro ou a máxima distância de operação.

28. 1 A 3 C C A C C A A A C A C ETHERNET COMUTADA: SWITCH • Hubs ou concentradores são dispositivos que simulam internamente a construção dos barramentos físicos. SWITCH PORTA COMPUTADOR 1 2 3 A B C

29. SWITCH • Os switchs são dispositivos capazes de segmentar a rede local analisando os endereços físicos. Permitem também interligar dispositivos que trabalham com velocidades de transmissão diferentes. SWITCH HUB HUB A B C D E F G

30. Operação em Full-Duplex • O modo de operação em full-duplex é bem mais simplex que a operação half-duplex, pois não existe necessidade de controlar o compartilhamento do meio. • O quadros podem ser transmitidos em um fluxo contínuo, mas há necessidade de respeitar-se um intervalo mínimo entre frames (IFG – InterFrame Gap). • A operação full-duplex inclui a implementação do controle de congestionamento por hardware. Flow Control

31. Autonegociação • A auto-negociação ocorre na inicialização do link: • O nó envia uma mensagem de anuncio, com sua versão de Ethernet e capacidades opcionais. • Reconhece o recebimento dos modos operacionais compartilhados pelas NICs • Rejeita os modos operacionais que não são compartilhados • Configura sua NIC com o maior modo operacional que ambas as placas podem suportar.

32. Exercício - 1 • Comandos Básicos • show interfaces • show interfaces interface-id • show mac address table dynamic • show mac address table aging-time • Verifique: • Mecanismo de aprendizagem do switch • Atualização da tabela MAC em caso de reconfiguração (troca de cabos)

33. Exercíocio - 2Verificar tabela MAC nos Switches SWITCH SWITCH SWITCH C D A B

34. Exercício – 3Verificar tabela MAC nos Switches SWITCH SWITCH SWITCH C D A B

35. Exercício – 4Verificar tabela MAC nos Switches SWITCH SWITCH SWITCH C D A B

36. Auto-MDIX • Auto-MDIX: Automatic Medium-Dependent Crossover Cabo paralelo (straight through) switch host Cabo cruzado (crossovet) switch switch Cabo paralelo (straight through) roteador switch

37. Configuração das Portas do Switch • 1) Entrar em modo terminal: • configure terminal • 2) Selecionar uma interface • interface Gi1/0/1 ou interface Fa0/1 • interface range Gi1/0/1 – 10 • 3) Executar comando de configuração: • speed auto • duplex auto • flowcontrol receive on • mdix auto • 4) Sair do modo terminal • end • 5) Mostrar configuração • show interfaces

38. Cascateamento de Switches • O cascateamento de switches na presença de VLANS motivou a elaboração dos seguintes padrões IEEE: • IEEE 802.1Q: define o funcionamento de VLANs • Acrescenta dois campos no quadro: • Identificador de VLAN • Prioridade • IEEE 802.1p: define o uso do campo prioridade.

39. Quadros Ethernet Ethernet I & II FCS (4 bytes) Dados (46 a 1500 bytes) MAC origem (6 bytes) MAC destino (6 bytes) Tipo Proto. (2 bytes) IEEE 802.3 Tamanho (2 bytes) Dados (46 a 1500 bytes) FCS (4 bytes) MAC origem (6 bytes) MAC destino (6 bytes) IEEE 802.1Q MAC origem (6 bytes) MAC destino (6 bytes) Tipo Proto (2 bytes) VLAN id e prioridade (2 bytes) Dados (46 a 1500 bytes) FCS (4 bytes) Tipo 802.1Q = 0x8100 Prioridade (3 bits) + CF (1bit) + VLANID (12 bits)

40. Spanning Tree Protocol: STP • Quando os switches colocados em cascata formam caminhos com loops fechados, o encaminhamento de quadros pode levar ao congestionamento da rede. • O STP é um protocolo de camada 2 utilizado para prevenir a ocorrência desses loops.

41. Loops em Cascateamento de Switches • Os switches criam tabelas de encaminhamento escutando os endereços MAC de origem enviado para suas portas. C,D A,B A B C D

42. Cascateamento de Switches C,D,E,F E,F A,B A B C D A,B,C,D E F

43. Cascateamento de Switches A,B,C,D,E,F A,B,C,D,E,F A,B,C,D,E,F A,B,C,D,E,F A B C D A,B,C,D,E,F A,B,C,D,E,F E F

44. Princípio do STP • O STP é executado em cada switch da rede • Princípio: • Somente um caminho ativo pode existir entre 2 estações na rede • Bloquear as portas que impliquem em loops fechados. • A estratégia consiste em escolher um switch como Root, e construir uma árvore como o menor caminho até o Root.

45. SPT • O STP utiliza um protocolo chamado BPDU: • Bridge Protocol Data Unit • Mensagens em Multicast (MAC) • DE: 0x0180C20000000 • ATÉ: 0x0180C20000010 • STP funciona continuamente, de maneira a refletir mudanças de topologia na rede. • Se SPT está ativo, os pacotes multicast são recebidos, mas não encaminhados. • Se SPT está desativo, os pacotes multicast são encaminhados como multicast desconhecido.

46. Topologia STP As portas na direção oposta ao root são chamadas de designadas. A RP RP B C RP D As portas na direção do root são chamadas porta Root

47. BPDU: Padrão IEEE 802.1D

48. Campos do BPDU • Protocol Identifier: 0 (SPT) • Version: 0 (ST) • Message Type: 0 (Configuration) • Flags: Topology change (TC), Topology change acknowledgment (TCA) • Root ID: 2-Byte Prioridade + 6-Byte MAC da Bridge • Root Path Cost: 4-Bytescusto da Bridge até o root. • Bridge ID: 2-Byte Prioridade + 6-Byte MAC da Bridge (por VLAN) • Port ID: 2 Bytes (usado para escolher a porta a ser bloqueada em caso de loop) • Message Age: Tempo decorrido desde que a mensagem repassada foi enviada pelo Root • Maximum Age: Idade a partir do qual a mensagem deve ser ignorada • Hello Time: Intervalo entre mensagens da root bridge • Forward Delay: Tempo que a bridge deve esperar antes de mudar de estado em caso de mudança de topologia.

49. Topologia STP ROOT = Bridge com a menor Bridge ID (menor prioridade ou menor MAC) Todas as portas são DP Por default, a prioridade de todos os switches é 32768. Porta Root é aquela que tem a menor distância até o Switch Root Esses caminhos foram bloqueados. Em caso de caminhos paralelos, a interface mais lenta é sempre bloqueada.

50. Mensagens BPDU • Todos os switches são root inicialmente • Todos os switches enviam mensagens BPDU em multicast para todas as suas interfaces. • Se SPT está ativo, as mensagens recebidas não são propagadas pelo switch. • Se a mensagem recebida por um switch é superior (menor bridge ID, custo) ele é armazenada, senão é ignorada. • Se a mensagem superior for recebida pela porta root, ela é propagada para as demais portas DP, correspondendo as redes LAN onde o switch é designado.