LAN - REDES LOCAIS CABEADASPARTE 1

Professor Jorge H. B. Casagrande

Engenharia de TelecomunicacoesInstituto Federal de Santa Catarina

campus Sao Josecasagrande@ifsc.edu.br

13 de abril de 2020

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Sumario

1 ContextualizacaoCaracterısticasAplicacoesArquitetura

2 Topologias de LANs Cabeadas

3 Compartilhamento do MeioProtocolo MA - AlohaProtocolo CSMAProtocolo CSMA/CD

4 Conclusoes

5 FIM DA PRIMEIRA PARTE

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Contextualizacao

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Redes CABEADAS tipadas pela area de cobertura ate:

BAN - Body - centımetros

PAN - Personal - metros

LAN - Local - centenas de metros

CAN - Campus - quilometros

MAN - Metropolitan - dezenas de quilometros

RAN - Regional - centenas de quilometros

WAN - Wide - milhares de quilometros

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Redes SEM FIO tipadas pela area de cobertura ate:

WBAN - Body - centımetros

WPAN - Personal - metros

WLAN - Local - centenas de metros

WCAN - Campus - quilometros

WMAN - Metropolitan - dezenas de quilometros

WRAN - Regional - centenas de quilometros

WWAN - Wide - milhares de quilometros

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Redes LAN CABEADAS

BAN - Body - centımetros

PAN - Personal - metros

LAN - Local - centenas de metros

CAN - Campus - quilometros

MAN - Metropolitan - dezenas de quilometros

RAN - Regional - centenas de quilometros

WAN - Wide - milhares de quilometros

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Definicao generica de LAN

Local Area Network e um conjunto de sistemas computacionaisinterconectados compartilhando seus recursos e meios detransmissao atraves de sistemas de telecomunicacoes. A redeformada e distribuıda em area com dimensao limitada a colecaode tecnologias utilizadas.

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LAN - Classificacao

Genericamente pode-se classificar:

LAN Cabeada - Implantada atraves de ativos e passivos comtecnologias concebidas exclusivamente para meios de transmissaometalicos ou opticos, via sistemas de cabeamento estruturado ounao,

LAN Sem Fio - WLAN (Wireless LAN) - Implantada atravesde ativos e passivos com tecnologias concebidas exclusivamentepara meios de transmissao via ar livre.

LAN Mista - Implantada com tecnologias mistas das duas classesanteriores.

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LAN - Classificacao

ATIVOS E PASSIVOS

ATIVOS - Equipamentos que tratam sinais, processam, recebeme transmitem dados Ex.: Modens, roteadores, comutadores,conversores.

PASSIVOS - Componentes que guiam sinais detelecomunicacoes sem transforma-los. Ex.: Fios, cabos coaxias ouopticos, conectores, derivadores, antenas, guias de onda.

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Caracterısticas

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LAN - Evolucao das Caracterısticas

Mesmo proprietario em ambientes diversos INDOOR

Taxas de transmissao e vazao limitadas aos ativos e passivos;

Facilidade de expansao e segmentacao

Facilidade de acesso e seguranca

Facilidade de interconexao e redundancia

Facilidade de integracao de novas tecnologias

Facilidade de upgrade e compatibilidade, inclusive com sistemaslegados

Garantia da melhor relacao custo/benefıcio

Longevidade...

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Aplicacoes

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LAN - Aplicacoes Ilimitadas

Redes publicas ou privadas de alta capacidade:

processamentoarmazenamentocomunicacao

VoIP;

Hotspots;

Internet das coisas - IoT;

Industria 4.0;

Domotica;

Medica, Automobilıstica, Avionica, Naval...

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LAN - Cenario Tıpico

Exemplo tıpico de LAN Cabeada

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LAN - Cenario Tıpico

Exemplo tıpico de LAN Mista

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Arquitetura

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LAN - Arquitetura

Regrada pelos grupos de trabalho IEEE 802

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LAN - Arquitetura

Exemplo de grupos de trabalho de redes WLAN(seta para baixo - inativos; * ativos com destaque)

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Topologias de LANs Cabeadas

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LAN Cabeada - Topologias

Topologias sao dependentes do meio de transmissao adotado

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LAN Cabeada - Topologias

Alguns exemplos de topologias segundo IEEE

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LAN Cabeada - TopologiasBarramento

Estacoes conectadas no mesmo meio de transmissaoTransmissoes dos frames se propagam por todo o meio nas duasdirecoes do barramento ate alcancar os ”terminadores”Frames sao escutados por todas as estacoesEstacao destino faz copia do frameTransmissoes precisam ser controladas para evitar colisoes emonopolizacao do meio

ArvoreTopologia em arvore generaliza barramentoFrames enviados por uma estacao propagam por todos os meios detransmissao;

Terminadores

Um terminador e um casador de impedancias do meio que “dissipa“ asinalizacao correspondente dos frames nos extremos do meio detransmissao. Isso evita reflexoes do sinal.

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LAN Cabeada - Topologias - Frames no Barramento

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LAN Cabeada - Topologias

Topologia em Anel

Um laco fechado de nos repetidores unidos por enlacesunidirecionais ponto-a-pontoNo recebe frame em um enlace e retransmite em outroEstacoes sao associadas a cada noO frame circula por todo o anelEstacao destino reconhece endereco e copia o frameFrame circula de volta a origem, onde e retirado do anelE necessario um controle de acesso ao meio para determinar emque momento uma estacao pode inserir um frame no anel

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LAN Cabeada - Topologias - Frames no Anel

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LAN Cabeada - Topologias

Topologia em Estrela - Nıvel FısicoCada estacao se conecta a uma porta de acesso em umequipamento ativo centralizador (hub)Implementa uma topologia em estrela fısica mas o funcionamentoe em barramento logico regenerando os frames em todas as portasSomente uma estacao transmite de cada vez

Topologia em Estrela - Nıvel Fısico e EnlaceCada estacao se conecta a uma porta de acesso em umequipamento ativo centralizador comutador (switch ou hub-switch)Comutador direciona os frames somente para as portas conectadasa estacao de destinoMultiplos pares de estacoes origem/destino podem transmitirsimultaneamente

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LAN Cabeada - Topologias

Topologia barramento versus estrela

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LAN Cabeada - Topologia Estrela - Foco de estudo

Topologia estrela em nıvel de camada 2 evoluiu como opcao popularpois reune todas as caracterısticas destacadas das LANs cabeadas

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Compartilhamento do Meio

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

Embora a topologia estrela e popular em LANs corporativas,outras aplicacoes se encaixam melhor em outras topologias

Topologias de barramento, arvore e anel exigem controle deacesso ao meio (protocolo MAC - Media Access Control) paradisciplinar as transmissoes das estacoes

Transmissoes sem protocolo causam colisoes

Protocolo MAC e tarefa da camada 2 (de enlace) e procura evitare/ou tratar colisoes

Abordagens para acesso ao meio:

Acesso aleatorio: CSMA/CD, CSMA/CAAcesso ordenado: passagem de token, polling, reservaAcesso canalizado: TDMA, CDMA, FDMA

Foco de estudo: Acesso aleatorio: CSMA/CD

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

Desafios do Controle de Acesso ao Meio Aleatorio:Quando uma estacao pode acessar o meio?O que faz uma estacao se o meio estiver ocupado?O que faz uma estacao se ocorrer uma colisao?Como uma estacao determina o sucesso ou falha de umatransmissao?

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

Evolucao do Multiplo Acesso

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Protocolo MA - Aloha

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

Protocolo MA (Multiple Access) - AlohaConhecido como Aloha, criado nos anos 1970Originalmente para redes por radio a 9600bpsEstacoes podiam transmitir a qualquer momentoDeteccao de colisao via ausencia de confirmacao de umatransmissao...

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

Fluxograma do MA Aloha

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

Aproveitamento do Meio - Variacoes do protocolo AlohaAproveitamento = Taxa de Utilizacao da RedeAloha puro: 18%Aloha segmentado: 36%No Grafico: G=trafego oferecido; S=vazao (throughput)

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

Problemas do Protocolo MA

Nao ha de fato coordenacao entre as estacoes

Estacoes nao tentam evitar colisoes

Colisoes sao detectadas indiretamente por time-out:

Demora para a deteccaoTransmissoes ocupam o meio ate o fim, mesmo estando comalgum problema

Proxima evolucao: PROTOCOLO CSMA

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Protocolo CSMA

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LAN Cabeada - Compartilhamento do MeioProtocolo CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

Estacoes escutam o meio antes de transmitirExistencia de portadora faz com que estacao atrase a transmissaopor um tempo aleatorio (backoff)Ainda assim podem haver colisoes (via camada fısica):

Atraso de propagacao dos frames no meio

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

Estrategias de Persistencia do Protocolo CSMA

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

Comparacao das estrategias no aproveitamento do meioProbabilidades menores para persistencia aproveitam melhor omeio... mas geram maiores atrasos de transmissao!

Proxima evolucao: PROTOCOLO CSMA/CD

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Protocolo CSMA/CD

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

Segue CSMA, porem estacoes continuam escutando o meio aotransmitirem

Se a camada fısica identifica uma sinalizacao impropria, entao hauma colisao

Ao se abortar a transmissao, economiza-se tempo de utilizacao domeio!

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

Fluxograma do Protocolo CSMA/CD

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

Comparativo geral da Taxa de Utilizacao da Rede

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LAN Cabeada - Compartilhamento do MeioHa limites para o funcionamento do Protocolo CSMA/CDConsiderando um atraso de propagacao = τ a deteccao de colisaopode levar ate 2τ (round trip delay)Frame deve ocupar o meio por um tempo de no mınimo 2τ(chamado de tempo de slot)slot time permite que colisao seja detectada antes datransmissao do ultimo bit do frame.

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

Eficiencia do uso do meio no Protocolo CSMA/CDE = 1/(1 + (2BLe/cF ))B = largura de bandaL = distancia maxima no meio de transmissaoF = tamanho do quadroc = velocidade de propagacao do sinal no meioFormula empırica valida para cargas altas de transmissao eprobabilidade de retransmissao constante

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LAN Cabeada - Compartilhamento do MeioEficiencia do uso do meio no Protocolo CSMA/CD

Taxa de 10 MbpsTempo de slot de 512 bits em cada slot (frame)

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Conclusoes

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LAN Cabeada - Compartilhamento do Meio

RESUMO

MACs para acesso aleatorio funcionam bem com cargas baixas emedias de transmissao

Sao ditos MACs com contencao: estacoes competemdemocraticamente e estatisticamente pelo uso do meio

MACs de facil implementacao

Muito usados em redes locais: todas variacoes de Ethernet doIEEE 802.3 usam CSMA/CD

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FIM DA PRIMEIRA PARTE

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