Comunicação de dados

Modelo OSI

Conceitos básicos

• Transmissor: é o cara que está transmitindo num determinado momento
• Receptor: é o mininote que recebe os dados
• Interface: dispositivo que faz ponte entre receptor / transmissor e o meio físico
• Canal de comunicação: é o meio físico em si

Há também a classificação entre os equipamentos da rede:

• ETD ou DTE - Dispositivo final (Equipamento terminal de dados);
• ECD ou DCE - Interface (Equipamento de comunicação de dados);

Tipos de Tranmissão

• Simplex: transmissor transmite e receptor recebe. O fluxo no meio é unidirecional.
• Half-duplex: transmissor transmite, mas pode receber, não ocorre simultaneamente. O meio é bidirecional.
• Full duplex: transmissor transmite e recebe ao mesmo tempo. O meio também é bidirecional.

Tipos de meios físicos

• Guiados: são aqueles em que os dados trafegarão com um percurso fisico definido. Podem ser: par metálico, coaxial e fibra ótica.
• Não guiados: São aqueles em que o meio físico não impoem um percurso aos dados. São eles: rádio terrestre (celular, frequencia e spread spectrum), satélite, wifi, infra vermelho.

Tipos de rede

• Determinística: garante disponibilidade de forma intermitente. Se você tem 5 megas, o tem indefinidamente, sem oscilar.
• Estatística: não garante disponibilidade de forma intermitente. Ou seja, é possível que a rede oscile.

Comutação

• Por que é necessário a comutação? Por que o meio, na internet é compartilhado. E também, é impossível que todos venham a falar ao mesmo tempo e se o fizessem, a rede não suportaria. Por isso torna-se necessário compartilhar este meio e os recursos dele. Tipos de comutação:

Circuito

Conceito

A partir do estabelecimento da conexão, os pacotes irão seguir um caminho pre-determinado. Tem-se como exemplo famoso, a rede de telefonia.

Vantagens

• Comunicação e recursos dedicados
• Garantia de transmissão com taxa constante

Desvantagens

• Tempo de estabelecimento da conexão > tempo de transmissão
• Subutilização da rede

Pacotes

Conceito

Não há um caminho pre-determinado na rede. Conhecida como técnica do datagrama confiável. Geralmente não é orientada a conexão, salvo quando se é construído um circuito virtual, em que se é orientado a conexão.

Vantagens

• Mais perfomática
• Uso otimizado do meio
• Melhor compartilhamento

Desvantagens

• Overhead de cabeçalhos para que o pacote consiga chegar ao destino 'sozinho'
• Sem garantia de banda

Modulação

Técnica de interpretação de um sinal e transforma-lo em um outro sinal, com características diferentes do original.

PS: não confundir com a ideia de MODEM. Nem todo sinal analógico ao ser modulado, o será para o sinal digital.

Tipos de Modulação

• Por amplitude: distancia entre o pico maior e menor de um onda
• Frequencia: tempo que a onda leva para seguir seu fluxo completo
• Fase: por 'onde' a onda começa

Processos de chaveamento

• ASK: modular através da alteração da amplitude
• FSK: modular através da alteração da frequencia. Possui boa imunidade a ruídos se comparado ao anterior.
• PSK: modular através da alteração da fase
• QPSK: modular através da alteração da fase e quadratura. Permite mais combinações e por isso, transmite mais bits que as ateriores
• QAM: modular através da alteração da amplitude, quadratura e fase. Permite muito mais combinações, mas exigem interpretadores mais inteligentes.
• PCM: Muito utilizado em CODEC de transformação de sinal analógico para digital. Principal uso: sistemas VOIP.

Multiplexação

Por que é necessário multiplexar o meio?

A banda passante, ou seja, a quantidade de dados que se quer passar em um canal, geralmente é maior do que o meio físico pode suportar ou transportar. Sendo assim, é necessário fazer com que este meio possa transportar mais dados em seu limite de banda. Tal processo, é conhecido como multiplexação. A ideia é compartilhar um mesmo meio físico para múltiplas canais de transmissão.

Tipos de Multiplexação

• FDM: eu multiplexo o meio, dividindo-o em diferentes frequências.

Perceba na imagem acima, que, no eixo y eu tenho uma frequência máxima imposta pelo meio. Eu divido este canal em múltiplas faixas. Transportando assim, mais dados de diferentes origens no mesmo canal. Geralmente esta técnica é usada quando há ociosidade de frequência no canal.

• TDM: eu multiplexo o meio, alocando-o de acordo com o tempo. Esta técnica é usada geralmente, quando há ociosidade no canal relacionado ao tempo em que o mesmo fica ocioso.

• CDM: eu divido o meio levando a informação ao mesmo tempo, ou na mesma frequência, mas com códigos diferentes.

O canal a ser alocado pode ser:

• Dedicado: redes determinísticas.
• Chaveado: redes estatísticas.

Camada de Enlace

Tem como função garantir a confiabilidade da transferência de dados na rede. Possui as seguintes funções:

• Estabelecer o enlace de dados
• Sincronização de dados
• Segmentação e delimitação das unidades de rede (aqui quadros Ethernet, como exemplo)
• Controle de erro e controle de fluxo

Segmentação da rede

Como vimos, nesta camada, ela tem como função segmentar a rede. Mas por que segmentar? Por que é necessário que os hosts na rede não tenham colisões desnecessárias. Quais tipos de segmentação?

• Domínio de colisão: Na rede acima, há 4 domínios de colisão. Por quê? Lembre-se: domínio de colisão é por quais caminhos um pacote poderá passar na rede. Outra regra de ouro: hubs são interfaces 'burras', pois simplesmente passam para a frente o pacote, gerando um domínio de colisão, pois todos recebem os pacotes que chegam ao hub. Já o switch, é mais esperto e cria um domínio de colisão para cada host conectado.
• Domínio de broadcast: Na rede acima há 2 domínios de broadcast. Por quê? Lembre-se: pacotes broadcast são pacotes enviados para todos os hosts da rede. Só que eles param nos roteadores, sendo assim, os roteadores funcionam como segmentadores de redes broadcast.

Dispositivos e suas funções

• Nível físico: hub e repetidor -- mesmo domínio de colisão.
• Nível enlace: switch e brigde -- separa os domínios de colisão, mas não os de broadcast.

Quadro Ethernet

Controle de fluxo

• Por hardware: RTS e CTS.
• Por software: frame relay e controle explícito e implícito.

Controle de Acesso ao Meio

Por quê é necessário controlar o meio? Nem todos podem falar ao mesmo tempo porque gera colisão, e ao falarem, é necessário colocar 'ordem na casa' para a retomada da transmissão. Então, se tornou necessário estabelecer protocolos de acesso ao meio. São divididos em Métodos de acesso baseado em contenção e sem contenção

Com contenção

Não existe uma ordem de acesso, então é possível que haja a colisão e a mesma precisa ser tratada. O principal é o CSMA/CD

• CSMA/CD - cada nó da rede fica escutando a mesma e toma duas decisões: 1) caso não haja transmissão eu transmito; 2) caso haja, eu espero que a mesma seja terminada. E se houver colisão. O nó mais próximo emite um sinal de que houve colisão. E todos os outros esperam determinado tempo para transmitir novamente.

Sem contenção

Não há colisão devido a ter um controle na hora da comunicação. Nestas redes há o conceito de token, que funciona como uma permissão para transmitir ou não, se tem o token, transmite, não o tem, não transmite.

Perdas

• Por atenuação: devido a grandes distancias, o sinal poderá se perder ou ser atenuado, tornando-se necessário mecanismos para convertê-lo a um sinal digital, por exemplo, usando repetidores de sinal.
• Por ruídos: toda rede tem os seus ruídos. A dificuldade está em identificá-los no meio do sinal propriamente dito.
• Distorção: os dois acima acabam gerando a distorção, que é quando o sinal final, no receptor, não consegue ser compreendido perfeitamente devido as perda na hora da transmissão.

Ethernet

Na camada de enlace há inúmeros protolos. Estes são conhecidos como a família 802 devido ao número do grupo de pesquisa responsável por essa camada. Os mais importantes são:

802.2 - LLC

O link de controle lógico provê uma interface entre a camada de Rede e os métodos de acesso ao meio. Ele é importante devido ao fato de esta interface tornar desnecessária qualquer conhecimento de implantação do método de acesso a rede pela camada de Rede.

802.3 - Ethernet

Utiliza o método de acesso CSMA/CD

Imagens descrevendo como funciona o processo de transmissão no CSMA/CD

Hub, Switchs, Brigdes e Roteadores

• Hubs: interfaces que tornam a rede, geralmente, em topologia estrela. O hub é considerado uma interface burra, no sentido de não ter capacidade de filtrar os quadros na rede, formando um único domínio de colisão na mesma. Em suma, se um host transmite, todos os outros ouvirão.

• Brigdes ou pontes: são interfaces mais inteligentes que os hubs, tendo a capacidade de filtrar o tráfego na rede, segmentando a em pelo menos dois dominios de colisão.

• Switchs: interfaces mais inteligentes, provendo uma alta capacidade de filtro de quadros. O switch tem a capacidade de tornar cada saída, um domínio de colisão diferente.

• Roteadores: os Roteadores surgiram com uma necessidade de proporcionar uma interconectividade entre redes de maneira mais simples. O roteador tem a capacidade de sedimentar a Rede em domínios de Broadcast.

Domínios de Colisão

É a área lógica onde os pacotes podem colidir uns contra os outros.

Domínios de Broadcast

Um domínio de broadcast é um segmento lógico de uma rede de computadores em que um computador ou qualquer outro dispositivo conectado à rede é capaz de se comunicar com outro sem a necessidade de utilizar um dispositivo de roteamento, geralmente dispositivos da camada 2 do modelo OSI.

Modos Switch

• Store and Forward: o switch armazena o quadro, e quando este chega, é verificado se há presença de erros. Não tendo, o quadro é então encaminhado para o endereço de destino. Neste modelo, a latência é alta, mas há verificação de erros.

• Cut-Through: o switch começa a transmitir o quadro assim que o endereço MAC de destino chega. A latência é baixa, mas não há verificação de erro

• Fragment-free: o switch checa os primeiros 64 bytes e já começa a transmitir o quadro antes de ler o checksum. Este modo tem menos latência e também verifica a maioria dos erros.

• Assimetric: Proporciona conexões comutadas entre portas com larguras de banda desiguais, como por exemplo uma combinação de 100 Mbps e 1000 Mbps.

Oversubscription

É a técnica de ligar vários dispositivos no mesmo switch para ganhar maior desempenho. Cada porta do switch suporta uma largura máxima de banda por um tempo prolongado. Tal característica é chamada de backplane. Sendo assim, um switch de 48 portas, que possua um backplane de 24 Gbps, tera um oversubscription de 2:1. Ou seja, se todos os hosts precisarem de 1 Gb ao mesmo tempo, só terão, no máximo, 500 Mbps.

Funções Básicas dos Switchs

• Aprender endereços MAC de dispositivos conectados.

• Encaminhar ou filtrar quadros para os dispositivos da rede.

• Evitar loops (quando um quadro fica trafegando na rede sem um destino) usando o protocolo STP (Spanning Tree Protocol).

Quadro Ethernet

O quadro é a menor unidade de tráfego na rede. Uma das funções da camada 2 do modelo OSI e sedimentar os dados das camadas superiores e quebrá-los em quadros para que, assim, possam trafegar na rede.

• Preâmbulo: usado para sincronização e para acordar a interface de rede. É uma sequencia de 8 bits: 10101010. No IEEE 802.3, o preambulo tem 7 bytes, sendo o start frame delimiter.

• DA e SA - Endereços de destino e origem: são os endereços MAC dos hosts de destino e origem.

• Comprimento: indica o comprimento do campo data.

• Tipo: campo que indica qual o protocolo da camada 3 está fazendo uso do quadro.

• Dados: são os dados em si (PDU da camada LLC mais os dados da camada 3). Lembrando que este campo tem que ter um tamanho mínimo obrigatorio de 64 bytes.

• FCS ou Frame Check Sequence: é uma sequencia de bits que serve para verificar a integridade do quadro. Este campo carrega 32 bits para detecção de erro, calculados pela técnica de CRC – Código de Redundância Cíclica

Tabela ARP e suas funções

Esta tabela é importante, tendo em vista que se torna necessária a tradução de endereços IP para endereços MAC, em redes que utilizam a pilha TCP/IP. Esta tabela se encontra nos hosts na rede. O protocolo que traduz endereços MAC para Ips é chamado de RARP.