Redes de Computadores Fundamentos de Redes de Computadores, Transmiss

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Redes de ComputadoresFundamentos de Redes de
Computadores,Transmissão de Dados
CabeamentoCamada de Enlace
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Representação de Sinais A/D
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Quantisation e Sampling

• Quantisation incerteza introduzida na
  conversão de uma valor analógico em número
  digital
• Sampling (amostragem) intervalo de aquisição dos
  dados analógicos

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Quantisation

• Resolução da conversão depende do número de bits
  quanto mais bits, melhor a resolução.
• O número de bits determina o número de divisões
  uma faixa de inputs pode ser dividida para
  aproximar um input analógico.

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Quantisation

• Exemplo
• valores de 8 bits para representar voltagens de
  0-10 V.
• 8 bits 256 valores distintos
• 10 V / 256 0.039 V !
• 0 V 00000000 10V 11111111
• Cada mudança de 0.039, indica um novo binário.

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Sampling

• Para representar som digital de forma autêntica é
  preciso capturar uma amostra de som (sampling)
  cerca de 44500 vezes por segundo !
• A gravação de um som autêntico por 1 segundo
  requer 1.5 milhões de bits (quantização de 32
  bits, por exemplo).

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Convertendo tipos de sinais

• Modem recebe dados digitais e converte-os para a
  forma analógica, para transmissão sobre um meio,
  por exemplo, linha telefônica.
• MOdulator digital para analógico.
• DEModulator Analógico para digital.

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Esquema de um MoDem
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Modem externo ligado ao computador. via RS-232 e
fiação para linha telefônica com conector RJ-11.
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Sinais digitais

• Representam apenas 0s e 1s.
• Variam menos que sinais analógicos.
• mais fáceis para decodificar, mesmo que tenham
  sofrido interferência.
• As redes que transportam sinais digitais são
  conhecidas por baseBand Networks.
• Redes coaxial 50 ohm / ethernet (utp)

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Sinais analógicos

• Sofrem menos Atenuações que sinais digitais em
  longas distâncias.
• Equipamentos digitais lidam com 0s e 1s. O que
  acontece se o sinal se torna fraco a ponto de não
  permitir diferenciação?
• As redes que transportam sinais analógicos são
  conhecidas por broadBand Networks.
• Cabo coaxial 75ohm (TV)

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Analógico x Digital

• Digital
• Mais fácil de regenerar
• menos infestado de interferências
• Pode ser gravado diretamente em computador
• CODEC Coder/DECoder
• Analógico ? Digital (Transmissão) ? Analógico
• Linhas ISDN totalmente digital
• Integrated Services Digital Network (1998)

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ADSL

• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) Linha
  digital assimétrica p/ assinantes
• 8 Mbps (do roteador do ISP p/ casa)
• 1 Mbps (da casa p/ o roteador do ISP)
• Transmissão FDM (multiplexação por divisão de
  freqüência)
• 1 canal alta velocidade na direção do usuário
  50 kHz - 1 MHz
• 1 canal de velocidade média na direção da rede
  4kHz - 50 kHz
• 1 canal telefônico de duas vias 4 kHz.

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Padrão RS-232

• conexão comprimento max. 15 metros
• voltagens 3V e -3V.
• comunicação serial e assíncrona
• especifica transmissão de caracteres
• transmissão de bits sem delay entre eles
• nunca deixa voltagem Zero na linha.
• Por que comunicação Assíncrona ?
• não há necessidade de sincronização
  emissor-receptor
• não há clock

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Voltagem no fio usando RS-232
3
0
-3
Tempo
0
0
idle
1
start
1
1
1
0
stop

• Acordo entre emissor e receptor no tempo de
  transmissão de cada bit
• bit de início 0 emissor pode distinguir entre
  idle e início de caracter.
• padrão determina que emissor deve deixar a linha
  idle por um tempo mínimo -gt bit de parada 1.

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Conector RS-232
Conector de 25 pinos, com 3 fios para
comunicação full-duplex.
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Comunicação Assíncrona full duplex
transmissão full duplex fluxo de dados em ambas
direções R receiver (receptor) - modem, pino 3.
Computador, pino 2 T transmitter (transmissor) -
modem, pino 2. Comput, pino 3 G ground (terra) -
pino 7
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Largura da Banda - Bandwidth

• O nro de freqüências que pode ser acomodado num
  canal de transmissão.
• A diferença entre a freqüência mais alta e a mais
  baixa que pode ser acomodada num único canal.
• Quanto maior a faixa, maior a bandwidth do canal
  e maior a capacidade de transmissão!

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Time-Division Multiplexing (TDM)

• Sinais de velocidades baixas são colocados em um
  canal de transmissão de mais alta velocidade.
• Canal de N nós com R bps
• cada nó terá taxa de transmissão de R/N

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Observações TDM

• Os MUXs alocam tempo para um sinal s mesmo se a
  fonte não tem nada p/ transmitir
• Há MUXs mais inteligentes que alocam fatias de
  tempo só qd necessário ambos MUXs precisam
  conversar.
• Técnica para redes BaseBand (digitais) e
  BroadBand (analógica), para uma única freqüência.

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Frequency-Division Multiplexing - FDM

• A bandwidth total do cabo é dividida em bandwidth
  menores que transportam vários dados.
• Canal de N nós com R bps
• Cada nó terá taxa de transmissão de R/N

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Enlaces de Acesso Múltiplo e Protocolos

• Três tipos de enlaces
• ponto-a-ponto (fio único, ex. PPP, SLIP)
• broadcast (fio ou meio compartilhado ex,
  Ethernet, etc.)
• switched (ex., switched Ethernet, ATM etc)

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Protocolos de Acesso Múltiplo

• canal de comunicação único e compartilhado
• duas ou mais transmissões pelos nós
  interferência
• apenas um nó pode transmitir com sucesso num dado
  instante de tempo
• protocolo de múltiplo acesso
• algoritmo distribuído que determina como as
  estações compartilham o canal, isto é, determinam
  quando cada estação pode transmitir
• comunicação sobre o compartilhamento do canal
  deve utilizar o própro canal!
• o que procurar em protocolos de múltiplo acesso
• síncrono ou assíncrono
• informação necessária sobre as outras estações
• robustez (ex., em relação a erros do canal)
• desempenho

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Protocolos MAC uma taxonomia

• Três grandes classes
• Particionamento de canal
• dividem o canal em pedaços menores
  (compartimentos de tempo, freqüência)
• aloca um pedaço para uso exclusivo de cada nó
• Acesso Aleatório
• permite colisões
• recuperação das colisões
• Passagem de Permissão
• compartilhamento estritamente coordenado para
  evitar colisões

Objetivo eficiente, justo, simples,
descentralizado
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Protocolos MAC com Particionamento de Canal TDMA

• TDMA acesso múltiplo por divisão temporal
• acesso ao canal é feito por turnos"
• cada estação controla um compartimento (slot)
  de tamanho fixo (tamanho tempo de transmissão
  de pacote) em cada turno
• compartimentos não usados são disperdiçados
• exemplo rede local com 6 estações 1,3,4 têm
  pacotes, compartimentos 2,5,6 ficam vazios
• TDM (Time Division Multiplexing) channel divided
  into N time slots, one per user inefficient with
  low duty cycle users and at light load.
• FDM (Frequency Division Multiplexing) frequency
  subdivided.

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Protocolos MAC com Particionamento de Canal FDMA

• FDMA acesso múltiplo por divisão de freqüência
• o espectro do canal é dividido em bandas de
  freqüência
• cada estação recebe uma banda de freqüência
• tempo de transmissão não usado nas bandas de
  freqüência é desperdiçado
• exemplo rede local com 6 estações 1,3,4 têm
  pacotes, as bandas de freqüência 2,5,6 ficam
  vazias
• TDM (Time Division Multiplexing) channel divided
  into N time slots, one per user inefficient with
  low duty cycle users and at light load.
• FDM (Frequency Division Multiplexing) frequency
  subdivided.

tempo
bandas de freqüência
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Particionamento de Canal (CDMA)

• CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Códigos)
• um código único é atribuído a cada usuário, isto
  é, o código define o particionamento
• muito usado em canais broadcast, sem-fio
  (celular, satelite,etc)
• todos os usuários usam a mesma freqüência, mas
  cada usuário tem a sua própria maneira de
  codificar os dados. Esta codificaçaõ é definida
  pelo código que o usuário recebe (chipping
  sequence)
• sinal codificado (dados originais) X (chipping
  sequence)
• decodificação produto interno do sinal
  codificado e da seqüência de codificação
  (chipping sequence)
• permite que múltiplos usuários coexistam e
  transmitam simultaneamente com mínima
  interferência (os códigos que minimizam a
  interferência são chamados ortogonais)

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CDMA Codificação e Decodificação
transmissor
receptor
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CDMA interferência de dois transmissores
transmissores
receptor 1
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Protocolos de Acesso Aleatório

• Quando o nó tem um pacote a enviar
• transmite com toda a taxa do canal R.
• não há uma regra de coordenação a priori entre
  os nós
• dois ou mais nós transmitindo -gt colisão,
• Protocolo MAC de acesso aleatório especifica
• como detectar colisões
• como as estações se recuperam das colisões (ex.,
  via retransmissões atrasadas)
• Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório
• slotted ALOHA
• ALOHA
• CSMA e CSMA/CD

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4 - Meios de Transmissão

• Fio de cobre
• Fibras Ópticas
• Ondas Eletromagnéticas
• Microondas
• Infravermelho
• Laser

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Fios de Cobre - Par trançado
Par trançado O trançamento dos fios tem a função
de reduzir interferência.
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Par trançado - Tipos

• STP Shielded Twisted Pair
• dois pares Um para enviar, outro para receber
• Empregados em redes Token Ring.
• Conector type-1
• UTP Unshielded Twisted Pair
• de 2 a 4 pares de fios
• ethernet (10 Base T) e Token Ring
• típico conector RJ-45

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Par trançado - STP
IBM Token Ring, dois pares de fios (send e
receive), conector IBM tipo-1.
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Par trançado - UTP
Ethernet e Token Ring, existente em vários
níveis, conector típico RJ-45
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Par Trançado - UTP
Par trançado 10BaseT, com conector RJ-45 (patch
cord)
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Fios de Cobre - Coaxial
Cabo Coaxial O dado é transmitido no fio mais
interno. A proteção de metal protege contra
campos eletro-magnéticos externos e evita que a
radiação da energia eletro-magnética do fio
interno interfira com outros fios
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Cabos Coaxiais - Tipos

• Thick Ethernet
• 10Base5, RG-11, trunk
• Conector N-Series
• Caro
• Thin Ethernet
• 10Base2, RG-58.
• Conector Bayonet Nut Connector (BNC)
• Barato. (fora de moda!)

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Cabos Coaxiais - Conectores
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Coaxiais
Thin ethernet - 10Base2
Thick ethernet - 10Base5
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Cabo Coaxial - fino
Um adaptador AUI-para-10BaseT, usado para
conectar uma NIC com um conector AUI ao
cabeamento Thin Ethernet.
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AUI, MAU,NIC.

• NIC Network Computer Interface.
• Placa de Rede, Interface de Rede.
• MAU Media Attachment Unit Transceiver
• conversor analógico-digital
• AUI Attachment Unit Interface
• Cabo que conecta a NIC ao Transceiver.

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NIC - Placa de Rede
NIC - Placa de Rede com conector AUI do lado
direito da placa
44
Transceiver - Cabo Fino
MAU ligado diretamente à NIC sem o cabo AUI. Rede
usa cabeamento Ethernet 10Base2 com conector BNC.
45
Transceiver - Par trançado
MAU ligado diretamente à NIC sem o cabo AUI. Rede
usa cabeamento Ethernet 10BaseT com conector
RJ-45.
46
Esquema de fios (10BaseT)
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Fibra Óptica

• Cara
• Usada em backbones ou redes anel FDDI (100 Mbps)
• Alta capacidade
• Imune a interferências eletro magnéticas
• Baixa perda
• Dificuldade para fazer junções. ()
• Longas distâncias

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Fibra Óptica
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Fibras Ópticas

• LEDs (Light-Emitting Diodes)
• ILDs (Injection Laser Diodes).
• Fibras Multimodo 5 GBPS
• transporta múltiplos raios de luz
  concorrentemente
• distâncias relativamente curtas, devido a
  dispersão
• 50 a 100 microns
• Fibras Single Mode 25000 GBPS
• Transporta um único raio de luz.
• Distâncias mais longas. (50x)
• Maior banda, embora (8.3 a 10 microns)
• 10 bilhões de bits por segundo !

50
Radio
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Infravermelho

• 16 Mbps

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Pacotes, Frames e Detecção de Erros

• Pacotes pequenos blocos de dados enviados
  individualmente pelo sistema de rede. Por que?
• coordenação na transmissão entre emissor e
  receptor.
• acesso compartilhado de vários computadores à
  rede.
• Frames pacote especifico para uma determinada
  tecnologia de rede (frame ethernet, frame ATM)
• Detecção de Erros
• Bits de Paridade
• Checksum
• Cyclic Redundancy Check

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Tecnologias e Topologias de Redes

• Tecnologias como computadores enviam pacotes
  pela rede. (ethernet, token ring, FDDI, ATM,
  LocalTalk)
• Topologias distribuição física e lógica dos
  computadores em uma determinada rede.
  (barramento, estrela, anel)

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Tecnologia Ethernet

• Hoje a mais utilizada
• balanço entre velocidade, custo e facilidade de
  instalação.
• aceitação no mercado de computadores e existência
  de bom suporte.
• Padrão definido pelo IEEE.
• A que topologia pertence ?

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Ethernet - Barramento
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Ethernet - Estrela
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Ethernet - Mista
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Como funciona Ethernet

• Não há uma central de coordenação.
• Xerox - início anos 70 (1973 - Bob Metcalf)
• Ethernet 10Mbps
• Fast Ethernet 100Mbps.
• Pode haver colisão.
• Como controlar ?

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Fluxo de dados na Ethernet
Comprimento máximo da ethernet 2500 m distância
max. percorrida por 64 bits (10Mbps) sem colisão
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CSMA

• Carrier Sense with Multiple Access
• esquema de coordenação distribuída
• Atividade elétrica no cabo determina status.
• Se nenhum computador envia frames não há
  portadora (carrier).
• Se algum computador transmite há portadora.
• Se não há portadora, a placa transmite um frame!

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CSMA

• Se há uma portadora, a placa espera p/ enviar seu
  frame.
• Tecnicamente
• Verificar a presença de uma portadora chama-se
  carrier sense !
• Usar a presença de sinal para transmissão por
  vários computadores Carrier Sense with Multiple
  Access

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Colisão

• O que acontece se, na ausência de portadora, dois
  computadores decidem transmitir simultaneamente?
• Colisão (interferência) !
• Qual o mecanismo de Recuperação ?
• CSMA/CD
• CD Colision Detection (and BackOff)

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Tratando a colisão

• Ao sentir a colisão (alteração anormal na
  voltagem, pela placa), o computador espera.
• Mas se ambos computadores esperarem o mesmo tempo
  para retransmitir nova colisão !
• Usar um delay de no máximo d.
• Selecionar um valor randômico!

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Evitar colisões múltiplas

• Se houver nova colisão, duplica-se o tempo de
  delay !
• Binary exponential Backoff ato de dobrar o
  tempo de delay a cada colisão

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2 - Endereçamento de Hardware e Frames

• Meio físico compartilhado por muitos
  computadores.
• Sinal chega a vários, além daquele a qual é
  especificamente destinado.
• Como identificar este computador específico?
• Frames !

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Endereçamento físico
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Formato de Endereços Físicos

• Estáticos pré-estabelecido pelo fabricante.
• Configuráveis manual, na EPROM.
• Dinâmicos
• Endereço determinado quando a estação é ligada.
  Pode tentar valores aleatórios até encontrar
  algum que não seja usado por outro computador na
  rede.

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Frames

• Permitem a identificação do conteúdo do dado a
  ser transmitido.
• Composto por campos

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Frame Ethernet
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Tipos de Frames
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Erros de Transmissão

• Raios, variações na corrente elétrica,
  interferências eletro-magnéticas, etc.
• Alteram o valor do dado.
• Interpretação errada.
• Mecanismos de verificação de erros
• Paridade
• CheckSum
• CRC

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Verificando a Paridade

• Bit de paridade
• Paridade Par
• O transmissor configura o bit de paridade para 0
  ou 1 de forma que o nro total de bits 1
  (incluindo o próprio bit de paridade) seja par
• o bit de parid. para 0100101 é 1.
• Paridade Ímpar análoga.

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CheckSum

• Dados são tratados como uma seqüência de inteiros
  sobre os quais é calculada uma soma.

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Limitações do CheckSum
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CRC - Cyclic Redundancy Check

• Implementado em Hardware
• registrador de deslocamento porta Xor
• melhor que checksum
• Cada bit muda dramaticamente o resultado final.

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(No Transcript)
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3 - Conectividade.

• Estendendo uma LAN
• Repetidores (Repeaters)
• Pontes (Bridges)
• Switches
• Roteadores (Routers)
• Gateways
• Hubs

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Repetidores

• Pega um sinal e o repete !
• Não apenas amplifica, tenta também regenerá-lo
  (eliminando ruídos)
• Corresponde a camada 1 do modelo ISO
• Camada Física
• Não tem a mínima noção da idéia de Frame
• o sinal é elétrico
• portadora

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Bridges

• Mais inteligente que um repetidor
• Camada 2 (Data Link) do modelo ISO
• Entende o formato do Frame, portanto, é
  específica para uma determinada tecnologia
• Pode tomar decisões inteligentes
• Filtra Frames
• Reduz tráfego na rede

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(No Transcript)
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Filtragem de Frames

• Bridge possui CPU, memória e duas placas de rede.
• Aprendizado adaptativo. (spanning tree algorithm)
• Observa a rede em modo promíscuo (aceita para
  análise todos os frames que chegam a ela).

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(No Transcript)
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Uso de bridge - 1
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Uso de bridge - 2
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Um ciclo de Bridges
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Hubs

• Inicialmente um concentrador de fiação
• Hubs mais modernos
• stack (pilhas de hubs) max 10 (IBM)
• SNMP (Simple Network Management Protocol)
• gerenciamento remoto do hub
• Portas bufferizadas armazena frames
• filtragem de pacotes descarta frames ruins
• agem como repetidores
• Cada né detém uma porção da largura de banda
  total da capacidade de transmissão do HUB !

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HUB
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Switches

• Tem a aparência de um hub
• HUB age como um longo fio compartilhado
• SWITCH simula uma rede com várias bridges!
• Permite comunicação em paralelo
• aumentam performance da rede
• agem também como um filtro
• qd um pacote chega, lê o header e o repassa ao
  segmento destino (
• Funcionam na camada 2 e 3 (Layer 3 Switches)
• Cada nó tem a capacidade total de transmissão do
  Switch

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Layer 3 Switching

• Incorpora características de roteadores
• Opera no nível 3 (redes) do modelo ISO/OSI
• Opera de modo idêntico a um roteador, mas tem
  otimização por hardware (tao rápido quanto um
  switch nível 2)

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Roteadores

• Transfere dados de uma rede para outra (que podem
  ser fisicamente diferentes - frames diferentes)
• Camada 3 (Redes) do modelo ISO.
• Inteligente tenta encontrar a melhor rota para o
  pacote.

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(No Transcript)
98
(No Transcript)
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Gateways

• PC manipulam dados em formato ASCII
• IBM Mainframes formato EBCDIC
• Conversão exige uma completa re-estruturação dos
  dados.
• Gateway dispositivo que atua em qualquer camada
  do modelo ISO/OSI para vencer diferenças entre
  redes.

100
(No Transcript)
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Dispositivos de Conexão
Dispositivo Camada OSI Performance
Sofisticação Repeater Física Rápida
Baixa Bridge Data Link Rápida
Também Baixa Switch Data Link Rápida
Complexa Roteador Network Média
Complexa Gateway Qualquer Devagar
Muito Complexa