Redes Ethernet - Parte 01
- Paulo Ricardo Siqueira Soares
- Oct 31, 2023
- 13 min read
A Ethernet foi originalmente desenvolvida durante os anos de 1972 e 1973, a partir de um projeto do Xerox Palo Alto Research Center por Robert Metcalfe, porém seu desenvolvimento continuou nos anos seguintes, tendo destaque a publicação do artigo Ethernet: Distributed Packet-Switching for Local Computer Networks (1975), artigo esse publica em conjunto com David Boggs. – Você pode ler o artigo original em inglês nesse link: https://ethernethistory.typepad.com/papers/EthernetPaper.pdf
Robert Metcalfe, iria deixar a Xerox em 1979 e fundar uma futura gigante na produção de equipamentos de telecomunicações a 3Com, que seria comprada em 2009 por outra gigante de tecnologia a HP.
Em 1980 a Ethernet foi padronizada pela IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) com a padronização foi possível a adesão de mais fabricantes para fabricação de equipamentos baseados na Ethernet.
A Ethernet é uma arquitetura de interconexão de hosts para redes locais (Local Area Network – LAN), baseada no envio de pacotes de dados. Definida por uma série de normas (família de normas IEEE 802), ela define o cabeamento e sinais elétricos, o formato dos pacotes e protocolos para controle de acesso ao meio físico), desde a década de 90 é a tecnologia de redes mais utilizada no mundo ocupando espaços que já foram preenchidos por redes como Token-Ring, FDDI e ARCNET. As redes de computadores residenciais e comerciais instaladas hoje são baseadas nesse padrão.
Atualmente o comitê da norma IEEE802 continua seu desenvolvimento com foco em redes locais (LAN) com o redes metropolitanas (Metropolitan Area Network – MAN), é possível acompanhar os grupos ativos através do site www.IEEE802.org.
Grupos de estudo ativos da IEEE 802
802.1 Higher Layer LAN Protocols Working Group
802.3 Ethernet Working Group
802.11 Wireless LAN Working Group
802.15 Wireless Personal Area Network (WPAN) Working Group
802.18 Radio Regulatory TAG
802.19 Wireless Coexistence Working Group
802.21 Media Independent Handover Services Working Group
802.22 Wireless Regional Area Networks
802.24 Vertical Applications TAG
IEEE 802.3 – Ethernet
O IEEE 802.3 é um grupo de trabalho e a coleção de padrões do IEEE que define a camada 1 e 2 do modelo OSI (Física e enlace de dados) para a comunicação de redes Ethernet. Ela define como deve ser feita a conexão entre nós nas redes LAN (Locais), e o funcionamento de dispositivos como hubs, switches e roteadores e os vários tipos de cabos de cobre ou óticos.
A IEEE 802.3 é a tecnologia que dá suporte a arquitetura de rede e a IEEE802.11, além da definição da forma de acesso a meio físico. A rede Ethernet suporta uma grande variedade de opções para links físicos uma vez que já possui 40 anos de história. Atualmente através de cabos de cobre ou fibras óticas é comum encontrar velocidades de 10Mbps (mega bits por segundo) a 100 Gbps (Giga bits por segundo), o padrão também define o comprimento máximo permitido para cada cabo.
O fator fundamental para a escolha do cabo é o material usado internamente para a transmissão física dos bits sendo assim atualmente, fios de cobre ou fibra de vidro, O uso de cabos de par-trançado sem blindagem (UTP) auxilia na economia de dinheiro, comparado com as fibras ópticas (vidro). Cabos de cobre mais baratos, enviam sinais elétricos através de seções de cobre (fios) que são cruzados dentro do mesmo, enquanto as fibras-ópticas mais caras, enviam luz através das fibras de vidro no centro do cabo, por outro lado as fibras de óticas permitem maiores distâncias na comunicação entre os nós.
Para verificar a compatibilidade com o padrão a ser utilizado deve-se observar junto ao equipamento qual é a norma que o mesmo está especificado, geralmente identificado através de uma etiqueta, ou impressão no qual se lê “IEEE802.3”, seguido de uma letra, neste caso torna-se mais fácil saber a taxa máxima de transmissão e qual o tipo de cabo a ser utilizado).
Tabela 1: Tabela com Exemplo de Padrão IEEE802.3
Os padrões mais comuns utilizam cabos UTP, porém vale lembrar que na indústria em virtude das características do ambiente e da aplicação é usual a utilização de cabos blindados.
Embora a Ethernet possua muitos padrões diferentes para a camada física, a mesma funciona como uma única tecnologia de redes locais (LAN), isso é possível porque o mesmo padrão para enlace de dados é utilizado para todos os padrões de links físicos. O padrão define como os cabeçalhos (headers) e trailers, bytes que encapsulam os dados que a Ethernet usa para fazer seu trabalho de envio e recebimento dentro da rede local, não importando o tipo de link físico (cabo, fibra, velocidade, etc...), pois esses bytes de controle continuam sendo os mesmos.
Sendo os padrões da camada física focados no envio de bits e os da camada de enlace de dados focados no envio de quadros (frames) Ethernet dos nós de origem ao de destino, na perspectiva da camada de enlace de dados, hosts de rede criam e enviam quadros, sendo que esses quadros encapsulam dados utilizando cabeçalhos e trailers.
Um exemplo do funcionamento do quadro é visto na figura acima, onde em uma ligação simples industrial, usando um CLP (controlador Lógico Programável), uma remota, um switch e um PC. Os quadros enviados pelo PC passam por um cabo UTP comum (sem blindagem) para um switch que retransmite o quadro por outro quadro UTP conectado a uma determinada porta até o CLP, da mesma forma o CLP responde ao PC, também é possível notar o quadro enviado por uma remota através de um cabo blindado (meio físico diferente do PC), até o switch e retransmitido por um cabo UTP comum até o CLP (Usando a mesma porta do switch que usou para transmitir o quadro do PC), nesse caso todos estão transmitindo a mesma velocidade (100 Mbps mais comumente nos dias atuais), porém até poderiam ser diferentes, e a conexão continuaria funcionando, em virtude das características do controle de fluxo do IEEE802.3 Ethernet, porém a velocidade entre o nó mais lento e o mais rápido por razões óbvias seria nivelada por baixo.
Bom assim podemos definir uma LAN (Local Área Network) – Rede Local , como a combinação de dispositivos de rede, conectados por um ou mais tipos de cabos, utilizando switches, em velocidades diferentes ou iguais, entregando quadros da Ethernet de um dispositivo para outro graças ao padrão de encapsulamento.
Nas redes Ethernet, cada nó deve ser capaz de enviar dados através de um link físico individual, vamos ver como isso ocorre dentro dos meios de transmissão mais comuns que são as redes 10BASE-T, 100BASE-T e 1000BASE-T utilizando cabos UTP ou cabos blindados.
Enviar dados através de cabos de par trançado, significa enviar dados através da eletricidade que flui através dos fios dentro dos cabos UTP. Para entender melhor como a Ethernet manda dados usando a eletricidade, é necessário quebrar essa ideia em 2 partes, como criar um circuito elétrico e como fazer esse sinal elétrico comunicar em 0s e 1s. .
Para criar o circuito elétrico a Ethernet define como usar os 2 fios dentro de um único par de fios trançados.
A figura acima mostra como os fios individuais são ligados aos circuitos do emissor e do receptor, na porta Ethernet, permitindo a eletricidade fluir.
Para enviar dados os 2 dispositivos seguem algumas regras chamada de esquema de codificação (encoding scheme). A ideia é bem parecida com 2 pessoas falando, usando a mesma linguagem obviamente. Quem fala, diz algumas palavras, e quem ouvi, consegue entender (pois ambos falam a mesma língua), no esquema de codificação o nó que está transmitindo a informação altera o sinal elétrico durante um determinado período de tempo, e o nó que recebe a informação utiliza a mesma regra de tempo para receber o sinal, para interpretar essas mudanças como estados lógicos 0s e 1s.
Uma coisa a levar em conta é que os cabos UTP, são chamados par trançado, por literalmente estarem trançados em pares dentro dos cabos, eles são construídos dessa forma auxiliar na proteção de interferências eletromagnéticas. Essas interferências podem serem gerados pelos fios dentro do mesmo cabo (famoso Cross-talk) ou por cabos próximos ao cabo de rede.
UTP Ethernet Link
O termo Ethernet Link, se refere a qualquer cabo físico entre nós Ethernet, é formado por alguns itens básicos: Cabo, conectores e as portas dos nós onde serão conectados nos nós.
Os padrões de cabos e cabeamentos seguem por base a EIA/TIA 568, serão abordados em um artigo específico.
Protocolo Ethernet de Enlace de Dados (Ethernet Data Link Protocol)
O protocolo Ethernet Data link, definem o quadro (frame) Ethernet: um cabeçalho Ethernet na frente, seguido pelos dados encapsulados no meio e um trailer no fim. Ethernet define poucos formatos alternativos para o cabeçalho.
O protocolo Ethernet Data link, definem o quadro (frame) Ethernet: um cabeçalho Ethernet na frente, seguido pelos dados encapsulados no meio e um trailer no fim. Ethernet define poucos formatos alternativos para o cabeçalho.
Endereçamento Ethernet
Os campos de origem e destino do quadro Ethernet, utilizam para identificação endereços Ethernet. Seu funcionamento é relativamente simples o dispositivo que irá enviar o quadro, adiciona o endereço do destino no campo “destination” do cabeçalho e seu próprio endereço no campo “source”, e espera e transmite o quadro e espera que a Ethernet como um todo entregue o quadro ao pacote correto.
O endereço Ethernet é também chamado de Media Access Control (MAC) address – O famoso endereço MAC – ele possui 6 bytes (48 bits), por conveniência os endereços MAC são listados como 12 números em hexadecimal, podem ser expressos em grupos de 2 números separados por “: ‘ ou “-“, como : A1:5F:00:12:7D:1C, A1-5F-00-12-7D-1C, ou menos usual grupo de 4 números, separados por “.”, como: A15F.0012.7D1C. O Endereço MAC representa apenas uma interface de rede (placa), ou porta Ethernet, são chamados muitas vezes de unicast Ethernet Address. O Termo unicast é a maneira formal de se referir ao fato de o endereço representar apenas uma interface de rede LAN.
A ideia de enviar dados para um destino com endereço MAC unicast funciona bem, porém isso só é possível se todos os endereços MAC unicast forem únicos, se 2 interfaces de rede tentarem usar o mesmo endereço MAC, pode ocorrer uma confusão, pois não é possível determinar qual o destino correto, para resolver esse problema a Ethernet usa um processo administrativo, sendo que no momento da fabricação as placas de rede (interfaces) recebem um endereço de MAC único, para tal o IEEE fornece aos fabricantes um número universal de 3 bytes para a sua identificação dentro do endereço MAC o chamado OUI – Organizationally Unique Identifier – esses 3 bytes serão os primeiros do MAC address de cada uma das interfaces produzidas pelo mesmo, o fabricante também será responsável por adicionar um número único com os valores dos últimos 3 bytes, esse número nunca pode ter sido utilizado anteriormente com esse mesmo OUI, tornando esse endereço MAC único, vale lembrar que um fabricante pode ter vários OUI fornecidos pelo IEEE.
Nomes do endereço Ethernet
O endereço Ethernet, pode ser chamado por diversos nomes nas bibliografias, algumas vezes em inglês ou português, segue alguns dos nomes adotados:
LAN address – Endereço LAN,
Hadware Addresss – Endereço de Hardware
Burned-in address (BIA)
Physcal Address (Endereço Físico),
Universal address, MAC address – Endereço MAC, no Brasil é comum usar os termos MAC Address – Endereço MAC, Endereço Físico e Endereço de Hardware, o IEEE costuma utilizar o termo universal address para dar ênfase ao fato que esse endereço deve ser único.
Em adição aos endereços unicast, Ethernet também usa grupo de endereços. O grupo de endereços identifica mais de uma interface de rede LAN. O quadro enviado para o grupo de endereço talvez seja enviado ao um pequeno grupo de dispositivos na rede ou até mesmo a todos os dispositivos da rede LAN, de fato o IEEE possui 2 categorias para grupos de endereços:
Broadcast Address – Endereço de Broadcast – os quadros enviados por esse endereço devem chegar a todos os dispositivos da rede, esse endereço tem o valor FF:FF:FF:FF:FF:FF, os endereços broadcast no nível da rede ethernet na camada 2, são responsáveis por disparar os quadros que contém os pacotes com endereço de rede broadcast dos protocolos IPv4 e IPv6 da camada 3, iremos aprender mais sobre esse endereço broadcast mais a frente.
Multicast Address – Quadros enviados para endereços ethernet multicast são copiados e encaminhados para um grupo de dispositivos da rede LAN que se pré-dispõe a receber quadros de um endereço multicast específico
Type: Identificando o protocolo da Rede
O campo Type do cabeçalho ethernet, como já descrito anteriormente, é responsável por identificar o protocolo de rede que está encapsulado no quadro, ele é também chamado de EtherType, seu grande propósito ao identificar o tipo de protocolo da camada superior é auxiliar o processamento da rede dentro dos hosts e roteadores. Antigamente os protocolos identificados eram muito variados, pois tínhamos dentro das redes LAN vários protocolos como o IBM-SNA, Novell NetWare, DECnet, AppleTalk e IP (Estamos identificando protocolos da camada 3), nos dias de hoje basicamente serve para identificar os protocolos IPv4 e IPv6 (nas aplicações industriais atuais basicamente utiliza-se IPv4).
O dispositivo que envia o pacote (origem) insere um valor em hexadecimal para identificar o tipo do pacote que está encapsulado dentro do quadro ethernet, esses valores para identificação são gerenciados pelo IEEE, sendo assim cada Ethertype tem um valor único.
Outra característica interessante é o fato de um dispositivo poder enviar tanto pacotes IPv4 quanto IPv6, de forma alternada, apenas o destino deve suportar o protocolo que será identificado no campo Type (tipo).
Para quem tem interesse todos os protocolos listados podem ser encontrados no seguinte endereço: http://standards-oui.ieee.org/ethertype/eth.txt
Detecção de Erros com FCS
O padrão Ethernet também define a maneira que cada nó irá descobrir (detectar) uma alteração no quadro transmitido através do link ethernet (esse tipo de anormalidade ocorre algumas vezes por interferência elétrica eletromagnética ou placa de rede com problemas), para isso a Ethernet utiliza um campo, dentro do data link trailer para detecção de erros.
O Ethernet Frame Check Sequence (FCS) no Ethernet trailer, permite ao dispositivo de rede de destino, uma forma de comparar os resultados do emissor dos dados, assim identificando quando algum erro corre no quadro. O dispositivo que envia a informação aplica uma formula matemática ao quadro e antes de enviar, armazena o resultado de essa operação dentro do campo FCS, o dispositivo que recebe o quadro aplica a mesma formula matemática e compara o resultado do quadro recebido com o campo FCS que foi gravado pelo emissor, os resultados sendo iguais, significa que o quadro foi recebido sem erros e/ou alterações, quando um erro é detectado o protocolo Ethernet descarta o quadro corrompido, não possuindo recuperação de erros, protocolos de camadas superiores atuam solicitando as informações perdidas como veremos mais a frente nesse material.
Utilizando Switches e Hubs par ao envio de Quadros
A rede LAN se comporta um pouco diferente dependendo do quão moderno são os equipamentos, principalmente quando se utiliza switches no lugar dos antigos Hubs, basicamente o uso de switches permite o uso de uma comunicação no modo full-duplex , que é mais rápida que as comunicações half-duplex que ocorrem quando se usa hubs, outro diferencial são os broadcast domains que são menores com o uso de switches.
Redes locais no modo full-duplex
A rede moderna ethernet consegue utilizar uma grande gama de padrões físicos ethernet, com isso pode ocorrer que cada link individual pode funcionar em diferentes velocidades, mesmo assim cada link deve permitir aos nós de rede enviar bits nos quadros para os próximos nós. Eles devem trabalhar juntos para conseguir enviar dados até o nó de destino.
O processo é relativamente simples, permitir que cada dispositivo envie um grande número de quadros por segundo.
O exemplo acima mostra o funcionamento de um envio de quadro entre 2 dispositivos por diferentes ethernet links , onde o host 1 cria o pacote e adiciona os endereços de origem e destino (endereços MAC), e envia o pacote para o meio, o switch direciona o pacote para a porta correspondente para ser direcionado ao switch onde está conectado o host de destino, esse switch envia para a porta correspondente da conexão do host2, nesse esquema todas as portas estão usando conexões full-duplex.
Mas qual a diferença entre full-duplex e half-duplex?
Half-Duplex: é o modo de operação lógico no qual a porta do adaptador de rede (NIC) somente recebe ou envia dados, não efetuando as duas operações ao mesmo tempo.
Full-Duplex: É o modo de operação lógico da porta do adaptador onde é possível enviar e receber dados ao mesmo tempo (ausência do half-duplex).
Basicamente todos os switches operam em modo full-duplex e todas as placas de rede de computadores, além das interfaces de redes das maioria dos dispositivos industriais utilizam conexões full-duplex.
Assim no exemplo da figura acima, ambos os hosts podem enviar e receber dados ao mesmo tempo.
Redes Half-Duplex
Ainda podendo ser encontrado em infraestruturas mais antigas, os HUBs, são aparelhos muito mais simples que os switches, operam em modo half-duplex onde, além de operarem em modo half-duplex os HUBs disparam as informações para todas as suas portas (menos a porta de origem)não direcionando os quadros para a porta específica onde está conectado o host de destino. Os HUBs eram dominantes nas redes Base10-T e no início das redes 100Base-T, nesta segunda fase eram muito utilizados em virtude de seu custo mais baixo, resumindo os hubs apenas enviam o sinal elétrico, não interpretam os quadros como os switches, ou seja, os HUBs são elementos que simplesmente repetem sinal operando na camada 1.
Uma das grandes desvantagens dos HUBs é o fato de que como transmitem os sinais no mesmo instante que recebem, esses equipamentos acabam criando colisões com equipamentos que estão tentando transmitir na rede, causando perda de dados. Por exemplo em uma rede com 3 hosts, quando 2 hosts tentam enviar dados para o mesmo host a probabilidade de colisão dos pacotes é alta, como mostra a figura abaixo.
Essas colisões causadas por HUBs, podem ser eliminadas utilizando switches que operam na camada 2, que significa que eles interpretam os quadros e retransmitem os mesmo somente para a porta que possui o host de destino, e enfileiram os frames para retransmitir.
Outro detalhe é que para tentar prevenir as colisões equipamentos que estão conectados a HUBs, são obrigados a trabalhar em modo Half-duplex, mesmo assim quando se usa mais de 2 hosts na mesma rede o problema de colisões é acentuado, mesmo utilizando o algoritmo de CSMA/CD (que mencionamos anteriormente), pois esse algoritmo trata de casos óbvios, mas infelizmente em virtude do timing relacionado ao algoritmo existe a possibilidade de 2 nós de rede enviarem a informação ao mesmo tempo, sempre com a probabilidade aumentando conforme o número de nós adicionados na rede.
Domínio de Colisão – Collision Domains
Os domínios de colisão ou Collision Domains, são o segmento de rede onde temos um risco ou colisões de quadros enviados pela rede. Isso ocorre por 2 fatores, primeiro envio de broadcast de rede, segundo envio de pacotes por vários nós ao mesmo tempo, uma das características dos switches é segmentar os domínios de colisão uma vez que os mesmos atuam na camada 2 e direcionam os quadros somente para porta onde o grupo de endereços de broadcast ou endereço MAC de hosts estão conectados, eles evitam o envio de broadcast para segmentos de rede que não são desejados, da mesma forma quadros para segmentos que não são desejados, com essa visão cada porta de um switch é um domínio de colisão, a grande quantidade de colisões de quadros são um dos grandes problemas em relação ao desempenho da rede.
Collision Domains em redes Industriais Baseadas em Ethernet
Redes industriais baseadas em Ethernet, serão abordadas mais a frente, nesse material, entretanto é importante destacar que no geral os problemas de broadcast domain ocorrem com mais frequência, primeiro pois é comum ter uma comunicação do tipo barramento (um módulo de rede conectado a outro), atuando como repetidores de sinal, ou seja, igual ao HUB, até chegar a um switch que tem capacidade de direcionar os frames corretamente, ou seja na prática se for conectado 10 módulos entre si e depois conectado ao switch teremos um domínio de colisão com 10 módulos, ao invés de evitar isso conectando cada dispositivo a uma porta determinada da rede, esse tipo de topologia se dá por 2 motivos, cultural e financeiro, cultural pois os projetistas de automação são oriundos de redes que trabalham com protocolos seriais em topologia barramento, e a grande maioria desconhece as características das redes Ethernet em seus detalhes e financeira, pelo fato de cabos de rede blindados industriais, utilizado nas instalações, terem um custo muito maior que os cabos comum, UTP além da necessidade de mais switches.
Essa foi a primeira parte sobre redes Ethernet, no próximo artigo falaremos de endereçamento IP, até mais.
Bibliografia:
Cisco CCENT/CCNA - ICND1 100-101 - Official Cert Guide - Academic Edition
IEEE Std 802.3™-2012 (Revision of IEEE Std 802.3-2008)
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