Tecnologias de redes locais

1. Introdução

Nas topologias de redes em barramento e anel, observamos que o meio de interligação é comum entre as estações. Desta forma, quando duas máquinas necessitam trocar informações é necessário que exista um protocolo de controle do meio de transmissão, a fim de que outras máquinas não tentem transmitir, interferindo, assim, na comunicação que está em andamento.

As primeiras tecnologias de redes foram desenvolvidas por grandes corporações com a Xerox, a GM e a IBM. Em seguida, a organização americana IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Instituto dos Engenheiros Eletricistas e de Eletrônica) desenvolveu um conjunto de padrões de protocolos de acesso ao meio para LANs conhecido como IEEE 802.

Posterioremente, a ISO adotou estes padrões internacionalmente como ISO 8802.

2. Histórico

Na década de 70 as grandes corporações como a Xerox, a General Motors e a Boeing começaram a se interessar pela automação dos seus escritórios e linhas de montagem. A partir de então, houve um desenvolvimento acelerado dos padrões de redes locais. A Xerox Corporation implementou a LAN Ethernet, a qual foi rapidamente adotada por muitas empresas, e a Intel construiu posteriormente um controlador de Ethernet em um único chip. Não demorou muito para que a Ethernet se tornasse um padrão de fato para LANs.

Paralelamente, a GM necessitava de LANs que atendessem a automação de suas fábricas, onde os carros se movimentavam a uma taxa fixa na linha de montagem. Portanto, a GM considerou essencial ter uma LAN com tempos determinísticos de transmissão de informações. Como a Ethernet não possuía esta propriedade, a GM optou por uma LAN chamada Token Bus, na qual as máquinas se alternariam, uma de cada vez, dando assim, um desempenho no pior caso determinístico, em vez de estatístico. Enquanto tudo isto acontecia, a IBM anunciou que havia adotado uma terceira opção, a Token Ring como seu padrão de LANs. A IBM adotou este padrão devido à sua alta confiabilidade e facilidade de manutenção, assim como outras vantagens técnicas.

Quando foi pensado em criar um padrão oficial para LANs, sobre a coordenação do IEEE, verificou-se que existiam três padrões de fato adotados, e como não existia uma maioria para a aprovação de um único padrão, foram estabelecidos pelo IEEE os três padrões de LANs, conhecidos como IEEE 802.3 (CSMA/CD) baseado no Ethernet, IEEE 802.4 token bus, e IEEE 802.5 (token ring).

3. A arquitetura IEEE 802 e o modelo OSI

Apesar das diferenças nos padrões de redes locais, as empresas viram a necessidade de utilizarem protocolos específicos e uma arquitetura aberta para suas redes, a fim de evitar futuras incompatibilidades. Obviamente foi adotado o modelo OSI para a implementação das arquiteturas. O conjunto dos padrões 802.X foi adotado pela ISO internacionalmente como tecnologias de redes locais através da padronização ISO 8802. Portanto, as tecnologias de redes locais do IEEE foram adotadas nas arquiteturas abertas OSI e TCP/IP.

A arquitetura IEEE compreende duas camadas: a física e a de enlace de dados. A camada de enlace de dados é dividida em duas partes: uma sub-camada de controle de acesso ao meio denominada de CAM que corresponde aos protocolos de acesso ao meio IEEE 802.3 (CSMA/CD), IEEE 802.4 (token bus) e IEEE 802.5 (token ring) e uma sub-camada de controle de enlace de dados denominada de LC e padronizado através do IEEE 802.2. A sub-camada LLC é a responsável pelo interfaceamento dos diferentes protocolos de acesso ao meio às camadas superiores do OSI e do TCP/IP. Além de servir de interfaceamento, a LLC é responsável pelas funções de controle de erro e de fluxo dos dados. A figura abaixo mostra a arquitetura IEEE 802 e o seu mapeamento no modelo OSI.

Mapeamento da arquitetura IEEE 802 no modelo OCI

Padrão IEEE 802.3 (CSMA/CD)

O IEEE 802.3 (ISO 8802-3) é o padrão para redes locais em barramento cujo protocolo para acesso ao meio é denominado de CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), acesso múltiplo por detecção de portadora com detecção de colisão. As redes IEEE 802.3 operam a taxas de velocidades de 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps podendo chegar a 10 Gbps.

O padrão IEEE 802.3 converge para a especificação Ethernet da Xerox. Por isso, esta tecnologia é geralmente denominada de Ethernet.

4.1 Protocolo de acesso ao meio

Para entender a técnica CSMA/CD, a figura abaixo ilustra a topologia de uma rede ethernet onde o meio é comum e o acesso é compartilhado entre todos os computadores. A figura "a" mostra a topologia física de uma rede ethernet. Neste exemplo, se considerarmos um equipamento de convergência, onde o sinal que chega por uma porta é difundido por todas as outras portas, esta rede tem uma topologia lógica em barramento, conforme a figura "b".

Topologia de uma rede ethernet

Portanto, considerando uma rede em barramento da figura abaixo, o protocolo CSMA/CD que controla a política de ocupação do meio pode ser explicado da seguinte forma:

Topologia de uma rede em barramento ethernet

1°) Quando um computador necessita enviar dados pela rede, ele verifica primeiramente se o meio está livre, ou seja, ele “escuta” se na rede nenhum outro computador está transmitindo. Caso o meio esteja ocupado, ele aguarda um tempo aleatório e repete o processo;

2°) Caso o meio esteja livre, ou seja, nenhum computador da rede transmitindo, os dados são enviados;

3°) Entretanto, se no mesmo instante um outro computador transmitir dados pela rede, haverá colisão de informações. Esta colisão é detectada pelos dois computadores, através da técnica de “escuta” do meio durante a transmissão, assim, o envio de informações é abortado pelos dois computadores;

4°) Em seguida, cada computador aguarda um tempo aleatório e repete o processo de escuta do meio e transmissão em seguida.

A técnica CSMA/CD apesar de ser a mais popular e a mais difundida entre as redes locais, não é aplicada em redes que possuem computadores com aplicações que exigem tempos determinísticos para comunicação, como, por exemplo, controles de processos em tempo real. A popularidade da técnica CSMA/CD deve-se principalmente ao fato do padrão Ethernet ser implementado em praticamente todas as redes que atendem a automação dos escritórios das empresas e universidades.

4.2 Sintaxe do protocolo

A estrutura do quadro MAC do padrão IEEE 802.3 é mostrada na figura abaixo.

Sintaxe do quadro IEEE 802.3

A função de cada componente do quadro é a seguinte:

- Preâmbulo (7 bytes): Cada um dos 7 bytes contém o formato de bits 10101010. A codificação Manchester desse padrão produz uma onda quadrada de 10MHz por 5,6s para permitir que o relógio do receptor se sincronize com o do transmissor;

- Delimitador de início de quadro (1 byte): Contém os bits 10101011 para sinalizar o início do quadro propriamente dito;

- Endereço de destino e Endereço de origem (2 ou 6 bytes): É o endereço referenciado entre as estações de origem e de destino. Normalmente esses endereços são chamados de endereços MAC. O padrão Ethernet usa endereços de 6 bytes, entretanto o IEEE 802.3 suporta também endereços de 2 bytes;

- Comprimento do campo de dados (2 bytes): Informa quantos bytes estão presentes no campo de dados;

- Dados (0 a 1500 bytes): É a parte que contém as informações propriamente ditas, ou seja, é a PDU (unidade de dados de protocolo) para a camada LLC. Embora um quadro de dados com 0 bytes seja válido, ele causa um problema. Quando detecta uma colisão, um transceptor trunca o quadro em uso, o que significa que pedaços de quadros e bits perdidos aparecem no cabo a toda hora. Para diferenciar um quadro válido de lixo, o IEEE 802.3 diz que todos os quadros válidos devem ter ao menos 64 bytes, do endereço de destino até a soma de verificação. Também, o IEEE 802.3 diz que o quadro deve conter no máximo 1518 bytes;

- Pad (preenchimento): Consiste de bytes suficientes de preenchimento para assegurar ao quadro IEEE 802.3 o tamanho mínimo de 64 bytes. Se a parte de dados é grande o suficiente, o campo Pad não aparece no quadro (ele se transforma em um campo de comprimento zero);

- FCS (Frame Check Sequence - Checagem de Sequência de Bloco) (4 bytes): Monitora erros de transmissão. A estação de origem executa um teste de redundância cíclica (CRC) nos bits do bloco, e armazena o resultado destes cálculos no campo FCS. A estação de destino realiza a mesma operação e compara seu resultado com os valores do campo FCS. Se os valores forem diferentes, a estação de destino reporta uma mensagem de erro.

4.3 Classificação do IEEE 802.3

O rápido avanço tecnológico dos computadores e de suas aplicações exigiu uma melhoria no desempenho das redes. Desta forma, o padrão IEEE 802.3 (Ethernet) que inicialmente operava a uma taxa de 10 Mbps, evoluiu para outros padrões cuja característica está no aumento da taxa de velocidade obtida. Assim, surgiu uma série de padrões IEEE 802.3 cuja a evolução da tecnologia ocorreu basicamente na taxa de transmissão e no meio fisco (cabeamento metálico ou ótico) da rede. O protocolo MAC que é o CSMA/CD manteve-se inalterado.

O padrão IEEE 802.3 pode ser classificado conforme abaixo:

IEEE 802.3 (Ethernet) a 10 Mbps em par metálico e ótico;

IEEE 802.3u (Fast-Ethernet) a 100 Mbps em par metálico e ótico;

IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet) a 1Gbps em cabo ótico;

IEEE 802.3ab (Gigabit Ethernet) a 1Gbps em par metálico;

IEEE 802.3ac (Gigabit Ethernet) a 10 Gbps em cabo ótico.

4.4 Nível físico do IEEE 802.3

As tecnologias de redes incluem as camadas físicas e enlaces de dados. Desse modo, os padrões do IEEE para tecnologias de redes compreendem além no protocolo MAC e da taxa de velocidade, o meio que suportará os sinais transmitidos.

A tabela a seguir apresenta os diferentes meios utilizados nas redes Ethernets. As especificações usam nomes que obedecem a uma convenção onde a primeira parte é a taxa de transmissão de bits/segundo (bps), a segunda, base, indica que a transmissão é realizada em banda de base (transmissão digital sem modulação). Por último, a terceira parte indica o tipo de cabeamento empregado.

4.5 Padrão IEEE 802.5 (token ring)

O IEEE 802.5 (ISO 8802.5) é o padrão para redes locais que operam em 4 e 16 Mbps utilizando a técnica token ring (passagem de fichas) para acesso ao meio.

O token ring foi desenvolvido pela IBM para conectar microcomputadores com seus meios ambientes de grande porte. Em razão da significativa base instalada pela IBM, criou-se um consenso no sentido de definir um padrão de LAN baseado nesta implementação.

Topologia de uma rede token ring

4.5.1 Protocolo de acesso ao meio

Para entender a técnica de passagem de fichas a figura acima ilustra a topologia em anel utilizada nas redes token ring. O acesso das estações ao anel é controlado por grupos especiais de bits chamados de token (ficha), os quais circulam através do anel de estação em estação. A técnica para o envio de informações pela rede é realizada da seguinte forma:

- Existe um token circulando pelo anel. Quando uma estação recebe o token, ela repete este token, se não tiver nada para transmitir;

- Por outro lado, se ela tiver algo para transmitir, o token recebido é substituído por um quadro de dados. Em seguida, o quadro é enviado para a estação subseqüente;

- Se a estação subseqüente não for a estação de destino do quadro, ela apenas o recebe e o reenvia a estação seguinte, ou seja, ela ignora o quadro;

- Se a estação subseqüente for a estação de destino dos dados, ela copia o quadro e em seguida, o reenvia a estação subseqüente;

- O quadro é reenviado por todas as estações subseqüentes, até alcançar a estação de origem, que, por sua vez, retira o quadro de dados e libera um token para a estação seguinte.

Ligue a vontade para qualquer celular ou fixo em todo o Brasil, EUA e Canadá, através do 99TelexFREE. Teste nosso serviço por 1 hora gratuitamente: http://www.telexfree.com/ad/marcelmesmo