Antes de Começar
Veremos então no artigo de hoje, os tipos de conexões ethernet Shared vs switched Ethernet, demonstrando de maneira sucinta o funcionamento de cada um.
Este é, antes de mais nada, o quarto e último artigo da série “Básico de Redes”. Assim, caso não tenha visto os artigos anteriores, recomendo visitar cada um, o qual deixarei uma breve descrição para referência e melhor entendimento do que veremos no artigo de hoje.
Primeiro, demos uma visão geral dos assuntos abordados na série. Chamamos este artigo de Básico de Redes: Overview.
Em seguida, começamos aprender sobre nossa Pilha de Protocolos TCP/IP.
Então, destrinchamos as Camadas do Protocolo TCP/IP.
Por fim, daremos uma visão geral sobre nosso protocolo Ethernet, mostrando principalmente a diferença entre os tipos Shared vs Switched Ethernet.
O que é Ethernet?
Ethernet é uma tecnologia de implementação de rede local definida em IEEE Std 802.3 e faz parte do padrão LAN/MAN.
Para especificar o modo de acesso à rede, usamos o conjunto de protocolos 802.X. Nesse ínterim, temos as tecnologias de comutação Ethernet e Fast Ethernet.
No passado, usávamos topologias do tipo “BUS”, ou barramento. Nesta topologia, todos os dispositivos se conectam a um repetidor que funciona apenas na camada física.
Hoje, o normal é trabalharmos com redes em topologia estrela. Nessa topologia, todos os PCs se conectam a um hub ou switch na rede Local. Podemos ter mais de um switch em uma rede, sendo que eles se conectam através de um cabo ligado entre eles. De maneira simples é isso. Veja um comparativo das duas topologias abaixo.
Protocolo Ethernet.
Velocidade de transmissão e padrão Ethernet
Podemos conectar o padrão Ethernet de várias formas e por diversos meios físicos. Temos cabos coaxiais grossos, cabos coaxiais finos, cabos de par trançado não blindados, cabos de par trançado blindado e fibras ópticas, por exemplo. O IEEE 802.3 define diferentes padrões de camada física para diferentes meios de transmissão.
Standard Ethernet 10 Mbps
O “Standard Ethernet” pode fornecer 10 Mbps, então dificilmente veremos este padrão sendo utilizado hoje.
Fast Ethernet 100 Mbps
Este é um padrão bastante utilizado por se tratar de um tipo de conexão de bom custo benefício para o cliente em uma infraestrutura de cabeamento. Ele suporta a conexão de par trançado de categoria 3, 4 e 5 e fibras ópticas. Ele também pode usar as instalações já existentes. Isso torna o processo de adoção mais simples e barato. Vamos dividir o padrão Fast Ethernet, 100 Mbit/s, em três subcategorias: 100BASE-TX, 100BASE-FX e 100BASE-T4.
Gigabit Ethernet 1000 Mbps
Em nossa rede local, normalmente será nossa rede preferida. Esse padrão é compatível com os padrões 10 Mbit/s e 100 Mbit/s, sendo que a negociação de velocidade será sempre negociada para a mais baixa dos nós envolvidos. No entanto, é importe entender que essa negociação é individual, podendo assim todos os nós da rede que possuem uma interface Gigabit se comunicarem na velocidade mais alta caso a rede seja preparada para tal. A tecnologia tem dois padrões: IEEE802.3z e IEEE802.3ab.
10 Gbps Ethernet
A especificação Ethernet 10GE está inserida no padrão IEEE 802.3 (IEEE 802.3ae). Ele estende o protocolo e a especificação MAC para suportar a taxa de transmissão de 10 Gbit/s.
40 / 100G Ethernet Standard
Para suportar as necessidades e requisitos de largura de banda em um datacenter e seus aplicativos modernos, temos o padrão 802.3ba. É comum hoje em dia vermos redes de operadoras e outros ambientes de computação de alto desempenho utilizando essa especificação. Aplicações modernas tem um perfil de uso de tráfego intenso e precisam de largura de banda para trafegar com conforto. Por exemplo, temos requisitos de virtualização, com uma quantidade grande de máquinas virtuais (VM) rodando hoje em um datacenter, normalmente utilizando uma mesma conexão de rede física. Também temos serviços de rede convergentes, vídeo sob demanda (VOD) e redes sociais que orientam a formulação desse padrão.
Princípios de Funcionamento do CSMA/CD
Agora veremos os princípios de funcionamento da Ethernet compartilhada. Este é um modo antigo. Hoje, usamos outro modo, que chamamos de swtiched. Porém, antes de falar do switched, vamos ver a shared Ethernet (modo compartilhado) primeiro.
Shared Ethernet
Shared Ethernet usa o CSMA/CD, que significa basicamente detecção de portadora e detecção de colisão.
Quando um usuário envia dados para o dispositivo, temos muitas portas interligando os dispositivos. Esta porta recebe os dados e todas as portas encaminharão os dados. No entanto, o outro PC não pode enviar dados simultaneamente, porque o link está ocupado. Se o link não estiver, o pc não poderá enviar dados. Perceba como na prática essa conexão será lenta.
- CSMA/CD: detecção de portadora e detecção de colisão
- CS (Carrier Sense): Monitora os dados antes de enviar dados para garantir que a linha esteja ociosa e reduzir a possibilidade de colisão.
- MA (Acesso Múltiplo): Os dados enviados por cada site podem ser recebidos por vários sites simultaneamente.
- CD (Detecção de Colisão): Detectando durante a transmissão. Ao detectar um conflito, o remetente para de enviar pacotes e continua a enviar pacotes após um atraso aleatório.
Então, este é o modo half-duplex. Vamos ver no exemplo abaixo.
A imagem acima ilustra como o hub trabalha em uma rede na Ethernet compartilhada.
Quando o PC envia dados para o hub, as demais portas receberão os mesmos dados. No entanto, conforme falamos antes, outro PC não pode enviar dados em simultâneo, pois a rede usará CSMA/CD para detectar que o link está ocupado. No modo half-duplex o PC só pode enviar ou receber o pacote por vez, não podendo fazer esse processo simultaneamente. Então, se o link não estiver livre, ele não poderá enviar dados em simultâneo. Importante ressaltar que normalmente não utilizamos o modo half-duplex hoje no mercado.
O modelo de rede amplamente difundido é a Ethernet comutada (Switched Ethernet) que veremos a seguir.
Switched Ethernet
Bridge (LAN SWITCH):
- Aprende o endereço com base na SA do pacote recebido e estabelece o mapeamento entre o endereço e a porta.
- Após receber um pacote, pesquise na tabela DA com base no pacote e encaminhe o pacote para uma porta especificada.
- Vários DTEs podem transmitir dados simultaneamente, sem interferir uns com os outros.
Em suma, usamos em uma topologia com Switched Ethernet, um switch LAN, também chamado LSW, ou L2 LSW.
Conforme demonstrado na figura abaixo, o L2 LSW trabalha no modo comutado (Switched).
Ou seja, quando o PC envia dados para o LSW, todas as portas receberão os mesmos dados, mas diferente do que ocorre no modo Shared Ethernet, o PC podem enviar dados mesmo enquanto percebe a linha ocupada. Isso ocorre por o dispositivo conseguir trabalhar em modo full duplex, ou seja, envia e recebe pacotes simultaneamente.
Normalmente no dia a dia, usamos esses dispositivos e esse modo. Esse é, sem dúvida, o modo mais difundido no mercado hoje.
Aprendizado baseado em endereço MAC
Então, na ilustração acima, podemos ver os PCs A e B conectados à porta 1 enquanto os PCs C e D estão conectados à porta 2. Assim o switch irá construir sua própria tabela de encaminhamento de endereços MAC.
Isso quer dizer na prática que podemos ver os endereços MAC A e B através da interface 1 do switch L2 enquanto conhecemos os endereços MAC C e D através da interface 2. Todos os MACs que conhecemos, com o seu respectivo mapeamento de portas, serão guardados na tabela de encaminhamento do switch L2.
Para esse processo, temos então que houve um aprendizado baseado em endereço de origem. O que significa que quando os PCs A, B, C e D se conectam ao switch, o switch aprenderá automaticamente o endereço MAC de cada dispositivo. Assim, ele irá gerar a tabela de encaminhamento de endereços MAC conseguindo endereçar mais rapidamente as requisições para a porta de destino correta, diminuindo o tempo de resposta e diminuindo o broadcast na rede.
Ou seja, uma vez que o switch gera a tabela de encaminhamento, quando o PC A envia dados para o PC D, ele encaminhará os dados apenas para a porta onde está o PC D (destination).
Colocando uma lupa na tabela de encaminhamento MAC
Na ilustração acima, temos então, a visão de frame do PC A enviando dados para o PC D.
Basicamente, quando o PC A inicia a comunicação, geramos um frame Ethernet. O frame Ethernet inclui o endereço MAC de destino e o endereço MAC de origem. Quando o “Layer 2 Switch” receber este frame, ele verificará a tabela de encaminhamento de endereços MAC e encontrará na tabela de encaminhamento de endereços MAC, o endereço MAC de destino associado a porta 2 do switch.
Então o Swtich L2 encaminhará a mensagem para a porta 2 e a porta 2 enviará os dados para o PC D.
Chamamos isso de encaminhamento com base no endereço de destino.
Shared Ethernet vs Switched Ethernet
Abaixo Deixarei o resumo das principais diferenças entre as tecnologias Shared Ethernet vs Switched Ethernet, consecutivamente:
- Topology: Bus or Star Topology vs Star Topology
- Working Mode: Half-duplex vs Full-duplex
- Bandwidth: Shared media bandwidth vs Exclusive media bandwidth
- Device: Hub and Repeater vs Bridge
- Layer: Physical vs MAC Layer
- Main Technologies: CSMA/CD vs Address learning and exchange
- Device complexity: Simple vs Complex
Quais as vantagens e desvantagens entre eles?
Shared Ethernet pode usar a topologia de barramento ou estrela, enquanto Switched Ethernet pode usar apenas a topologia em estrela.
Shared Ethernet funciona no modo half-duplex (unidirecional). Por outro lado, Switched Ethernet funciona no modo full-duplex (bi-direcional).
A largura de banda de mídia da Shared Ethernet é compartilhada, enquanto para Switched Ethernet temos largura de banda de mídia exclusiva.
Dispositivos antigos, como hub e repetidores, funcionam no modo Shared Ethernet, enquanto Layer 2 Switches funcionam no modo Switched.
Dispositivos Shared Ethernet, como hub e repetidores, funcionam na camada física, enquanto LSW funciona na camada de enlace de dados, podendo assim gerar a tabela de encaminhamento de endereços MAC. Com isso, switches de camada 2 poderão encaminhar os dados através das tabelas de encaminhamento de endereços MAC.
A principal tecnologia para Shared Ethernet é chamada CSMA/CD enquanto para Switched Ethernet temos o aprendizado de endereço MAC de origem, baseado na troca de endereçamento de origem e destino.
Por fim, a Switched Ethernet é amplamente utilizada atualmente.
Conclusão
Assim, vimos no artigo de hoje oque é o protocolo Ethernet e as tecnologias envolvidas nos modos e topologias que cercam os modos de uso compartilhado ou comutado. Aprendemos que existe uma tecnologia legado que atendeu a necessidade das redes de barramento, mas hoje, devido aos requisitos e necessidades de uma rede moderna, utilizamos normalmente a topologia em estrela com, no nosso contexto, swtiches layer 2.
Vimos ainda a diferença entre Shared e Switched Ethernet, com vantagens e desvantagens no uso de cada tecnologia, assim como vimos como os pacotes são encaminhados em cada tecnologia citada.
Por fim, no próximo artigo estarei iniciando um novo módulo, entrando no maravilhoso mundo das VLANs.
Até lá!
