1. Sistemas de Numeração

CENTRO FEDERAL DE ENSINO TECNOLÓGICO DE SANTA CATARINA
UNIDADE DE SÃO JOSÉ
NUCLEO DE TELECOMUNICAÇÕES
REDES DE COMPUTADORES E A
CAMADA FÍSICA
MÓDULO 2
CAPÍTULO 8
Dispositivos de Redes e Segmentação
Prof. Jorge H. B. Casagrande
SETEMBRO 2008
MÓDULO 2
CAPÍTULO 8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
SUMÁRIO
8 REDES LOCAIS - DISPOSITIVOS DE REDE E SEGMENTAÇÃO.................3
8.1 Introdução..........................................................................................................3
8.2 Componentes da camada 1...............................................................................4
8.2.1 Conectores.......................................................................................................4
8.2.2 Cabeamento....................................................................................................4
8.2.3 Patch panels....................................................................................................5
8.2.4 Transceivers ou conversores de mídia.............................................................5
8.2.5 Repetidores ....................................................................................................6
8.3 Dispositivos de camada 2 (ou mais...).............................................................7
8.3.1 Hubs ( ou Repetidores multiportas)...............................................................7
Cascateamento de Hubs e Hubs Gerenciáveis......................................8
8.3.2 Placas de Rede – NIC (Network Interface Card) (não há simbologia...).......9
8.3.3 Bridges ou Pontes...........................................................................................9
8.3.3.1 Parâmetros de uma Ponte.........................................................10
8.3.3.2 Operação Básica da Ponte........................................................10
O Algoritmo Spanning Tree..................................................................................11
8.3.3.3 Pontes Remotas.........................................................................11
8.3.4 Switches.......................................................................................................12
8.3.5 Routers..........................................................................................................14
8.3.5.1 Características de um Roteador................................................15
8.4 Segmentação de redes ....................................................................................16
8.4.1 Colisões e domínios de colisão em ambientes de camadas compartilhadas..17
8.4.1.1 Ambientes de meios compartilhados.........................................17
8.4.1.2 Colisões e domínios de colisão.................................................18
8.4.1.3 Acesso compartilhado como um domínio de colisão.................19
8.4.1.4 Repetidores e domínios de colisão............................................20
8.4.1.5 Hubs e domínios de colisão.......................................................20
8.4.1.6 Hubs e repetidores como causas dos domínios de colisão......21
8.4.1.7 A regra dos quatro repetidores...................................................21
8.4.1.8 Segmentando os domínios de colisão.......................................22
8.5 Especificações dos dispositivos de rede: HUB e SWITCH .........................24
HUB........................................................................................................................24
1. INSTALAÇÃO..................................................................................................24
SWITCH.................................................................................................................27
1. INSTALAÇÃO..................................................................................................27
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
8 REDES LOCAIS - DISPOSITIVOS DE REDE E SEGMENTAÇÃO
8.1 Introdução
Da mesma forma que uma casa precisa ter uma base antes de ser construída, a rede
também precisa ter uma base na qual possa ser construída. No modelo de referência
OSI, essa base é chamada de camada 1 ou de camada física. Os termos são usados
neste capítulo para descrever como a rede local funciona e está vinculada à camada 1
do modelo de referência OSI. A camada física define as especificações elétricas,
mecânicas, funcionais e de procedimentos para ativar, manter e desativar o link físico
entre sistemas finais.
Neste capítulo, você vai aprender sobre as funções de rede que ocorrem na camada
física do modelo OSI. Voce vai conhecer como os dispositivos de rede, as
especificações de cabo, topologias de rede, colisões e os domínios de colisão podem
ajudar a determinar coisas como a quantidade de dados que pode trafegar pela rede e
com que velocidade.
As três tecnologias de LAN mais conhecidas: Ethernet, Token Ring e FDDI têm uma
grande quantidade de dispositivos e componentes da camada 1. O foco deste capítulo
será as tecnologias Ethernet 10BaseT, uma vez que abrange a maioria das instalações
nas redes locais no mundo inteiro. Quando foi desenvolvida, a Ethernet foi projetada
para ocupar um espaço entre as redes de longa distância e baixa velocidade e as redes
especializadas de salas de CPD que transportavam dados em alta velocidade por
distâncias muito limitadas. A Ethernet é bem adequada a aplicações em que um meio
de comunicação local tem de transportar tráfego esporádico, ocasionalmente intenso,
a taxas de velocidade de pico.
As tecnologias Ethernet 10BaseT transportam quadros Ethernet em cabeamento de
par trançado econômico. Três componentes e sete dispositivos estão relacionados a
essas tecnologias. Os Três primeiros componentes são passivos, significando que não
necessitam de energia elétrica para operar. Pertencem exclusivamente a camada 1 do
modelo OSI. São eles:
• Conectores e Plugues
• Cabeamento
• Patch panels
Os 7 últimos são ativos. Eles necessitam de energia elétrica para funcionar.
Realizam funções desde a camada 1 até a 4 do modelo OSI. São eles:
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
Dispositivo
Transceivers
Repetidores
Hubs
Placa de Rede - NIC
Bridges
Switches
Routers
Camada Camada Camada Camada
1
2
3
4
X
X#
X
X
X*
X*
X*
X
X
X
X
X
X
X*
X*
X
X
X
X*
* opcional nos modelos comerciais limitado a algumas tarefas das camadas superiores
# em alguns tipos em que há necessidade de manipulação dos pacotes do protocolo ex.:
transceiver de 10/100/1Gbps eth para fibra 1Gbps.
No final deste capítulo iremos conhecer algumas características das especificações
comerciais de dispositivos como os Hubs e Switches e entender como é possível que
estes equipamentos, que são originalmente de camada 1 e 2 respectivamente,
realizarem funções até a camada 4.
8.2 Componentes da camada 1
8.2.1 Conectores
A terminação 10BaseT padrão (nó de extremidade, plug, conector) é o conector 45
registrado (RJ-45). Ele reduz os problemas de ruído, reflexo e estabilidade mecânica,
e assemelha-se a um plug de telefone, com a diferença de que tem oito condutores em
vez de quatro. Ele é considerado como um componente de rede passivo porque serve
apenas como um caminho condutor entre os quatro pares de cabos trançados
Categoria 5 e os pinos do conector RJ-45. Ele é considerado um componente da
camada 1 em vez de um dispositivo, porque serve apenas como um caminho condutor
para bits.
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CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
8.2.2 Cabeamento
O cabo 10BaseT padrão atualmente é um cabo de par trançado CAT5 composto por
quatro pares trançados que reduzem os problemas de ruído. O CAT5 é fino, barato e
fácil de instalar. A função do cabo CAT5 é transportar bits, portanto, é um
componente da camada 1.
8.2.3 Patch panels
Os patch panels são agrupamentos convenientes de conectores RJ-45. Eles vêm com
12, 24 e 48 portas e são normalmente montados em rack padrão com largura 19’. Os
lados da frente são conectores RJ-45. Os lados de trás são blocos punchdown que
fornecem conectividade ou caminhos condutores.
8.2.4 Transceivers ou conversores de mídia
Como vimos no capítulo anterior um MAU (“Media Attachment Unit”), é um
transceiver ou seja, uma combinação de transmissor e receptor adaptando 2 meios de
transmissão diferentes. Nas aplicações de rede, isso significa que eles convertem uma
forma de sinal em outra. Por exemplo, muitos dispositivos de rede vêm com uma
interface de unidade auxiliar e um transceiver que permite que 10Base2, 10Base5,
10Base-T ou 10\100BaseFX sejam conectados à porta. Uma aplicação comum é
converter as portas AUI em portas RJ-45. Eles também são dispositivos da camada 1.
Eles transmitem de uma configuração de pinos e/ou de um meio para outro. Os
transceivers são freqüentemente construídos em placas de rede, que são normalmente
consideradas dispositivos da camada 2. Os transceivers em placas de rede são
chamados de componentes de sinalização, o que significa que eles codificam sinais
para o meio físico.
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
SIMBOLOGIA:
8.2.5 Repetidores
Os repetidores geram os sinais novamente e os retemporizam, o que permite estender
mais os cabos para que eles alcancem distâncias maiores. Eles lidam com pacotes
apenas no nível dos bits, portanto, são dispositivos da camada 1. Os repetidores são
menos comuns do que costumavam ser, porque agora os hubs oferecem os benefícios
da concentração, conectividade e dos recursos típicos dos repetidores.
SIMBOLOGIA:
Os repetidores são dispositivos de internetworking existentes na camada física
(camada 1) do modelo OSI. Eles podem aumentar o número de nós que podem ser
conectados a uma rede, e assim, a distância que a rede pode alcançar. Os repetidores
remodelam, geram novamente e retemporizam os sinais antes de enviá-los pela rede.
A desvantagem em usar repetidores é que eles não podem filtrar o tráfego da rede. Os
dados (bits) que chegam à porta de um repetidor são enviados por todas as outras
portas. Os dados são passados adiante para todos os outros segmentos da LAN de
uma rede, não importa se eles precisam ou não ir para lá.
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MÓDULO 2
8.3
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
Dispositivos de camada 2 (ou mais...)
8.3.1 Hubs ( ou Repetidores multiportas)
O Hub em uma rede 10BaseT funciona como um repetidor multiporta: na forma mais
básica desse dispositivo de rede ele recebe, retemporiza e regenera sinais recebidos de
quaisquer uma das estações à ele conectadas. O hub também funciona como um filtro:
descarta quadros distorcidos.
Em adição, um hub 10BaseT que segue as especificações da IEEE 802.3, testa cada
uma das conexões, detecta e trata excessivas colisões, além de ignorar quadros de
tamanho maior que o do IEEE 802.3. O teste de integridade de um link é realizado
através de um envio de um sinal especial para a estação conectada. Caso esta não
responda, o hub desabilita a porta (podendo ligar/desabilitar um LED indicador de
status).
A monitoração das colisões e dos links causadores destas, permite ao hub desligar os
links em que, por exemplo, estações (NICs) faltosas possam estar enviando dados
continuamente. O desligamento deve ocorrer a partir de 30 colisões consecutivas
(patamar mínimo fixado pela IEEE 802.3).
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
O termo concentrador é as vezes utilizado no lugar de hub, embora não seja muito
usual. Os hubs 10BaseT normalmente incorporam 8, 10 12 ou 24 portas RJ-45 (para a
conexão das estações), um conector BNC ou/e porta AUI para interconexão da rede
com segmentos 10Base2 e 10Base5. Além disso um hub pode ser conectado a um
outro através de um conector RJ45.
Quando um hub é conectado a um outro, um cabo especial deve ser utilizado, isto
porque os sinais devem ser cruzados (cross-over cable) de forma que o sinal de
transmissão de dados seja conduzido para a recepção de dados do outro modem.
Observe-se que em condições de conexão de uma estação a um Hub o cabo é direto
ou pino à pino (straight-through cable). Alguns hubs, no entanto, possuem uma chave
– MDIX – que permite, para uma determinada porta, realizar o cruzamento dos sinais
internamente. Neste caso o cabo a ser utilizado é o direto.
Cascateamento de Hubs e Hubs Gerenciáveis
A medida que uma rede 10BaseT é expandida, pode ser necessário ampliar o número
de portas de hub. O processo de conectar um hub em outro através de suas portas para
atingir este objetivo é chamado de cascateamento.
Nas versões de hardware mais completa um hub gerenciável ou “inteligente” possui
um sistema baseado em microprocessador que possibilita a realização de funções
adicionais àquelas de um simples repetidor, quais sejam:
 Permite comandos remotos para ligar ou desligar portas;
 Possibilita a obtenção de estatística do uso de portas;
 Possibilita o monitoramento do tráfego no sistema permitindo diagnóstico de
problemas;
 Possibilita seccionar a rede para a realização de testes específicos em determinados
DTEs ou segmentação;
 Podem incorporar outras funções para acima da camada física do OSI.
Existem protocolos específicos para gerenciamentos da rede de comunicação (ex:
SNMP). Os hubs podem fazer uso destas padronizações para prestar os serviços
enumerados acima.
Os Hubs combinam a conectividade com as propriedades de amplificação e de
retemporização dos repetidores. É normal ver 4, 8, 12 e até 24 portas em repetidores
multiportas. Isso permite que muitos dispositivos sejam interconectados de forma
mais fácil e econômica. Os repetidores multiportas são freqüentemente chamados de
hubs, em vez de repetidores, quando nos referimos aos dispositivos que servem como
o centro de uma rede de topologia em estrela. Os hubs são dispositivos de
internetworking muito comuns. Como o hub não gerenciável típico requer apenas
energia e conectores RJ-45 conectados, eles são ótimos para se configurar
rapidamente uma rede. Da mesma forma que os repetidores nos quais são baseados,
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
eles só lidam com bits e são dispositivos da camada 1. Os Hubs gerenciáveis através
de software específico ou padrão já podem alcançar funções até camada 4, mas
mantém sua concepção original como dispositivo.
SIMBOLOGIAS:
8.3.2 Placas de Rede – NIC (Network Interface Card) (não há simbologia...)
A placa de interface de rede (Network Interface Card - NIC) é responsável pela
conexão do hardware da estação ao meio físico de transmissão e, consequentemente,
pela transmissão e recepção dos sinais que trafegam no meio físico. Usualmente, nas
placas de rede são armazenados e executados algoritmos que disciplinam o acesso ao
meio de transmissão. Assim, na placa de rede estão as funções dos níveis físico e de
controle de acesso ao meio (subcamada MAC na arquitetura IEEE 802). As NICs
atuais possuem grande variedade de operação em tecnologias 10/100BaseT em modo
half ou full duplex, com a facilidade de autonegociação com o dispositivo a ela
conectado.
8.3.3 Bridges ou Pontes
As LANs possuem distâncias máximas que podem ser utilizadas na sua construção,
incluindo nesta distância o uso de repetidores físicos do sinal. Entretanto, é possível
ampliar o tamanho destas redes, formando LANs estendidas (ELAN, XLAN ou
BLAN) através do uso de pontes (“bridges”).
As pontes permitem também a interconexão entre LANs de tecnologias diferentes
(ex: Ethernet e Token Ring).
SIMBOLOGIA:
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CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
São características de uma ponte:
 Operam na camada 2 (Data Link Layer) do modelo OSI, mais especificamente na
subcamada MAC, sendo devido a isto conhecidas por MAC-Bridge;
 Possuem um algoritmo de roteamente bastante simples: cada ponte constrói a sua
tabela de filtragem (de roteamento) de forma autônoma e isolada de outras pontes;
 São utilizadas para uma interconexão local entre duas ou mais LANs, tendo
também sido utilizadas para interconexões entre LANs geograficamente separadas.
As pontes podem ser classificadas em:
Pontes transparentes (transparent bridges): estas pontes estão de acordo com o
padrão IEEE 802.1D. Elas possuem uma tabela de filtragem e são transparentes no
sentido que os componentes das redes a ela conectados ignoram a sua existência
(ex: uma ponte não possuem um endereço);
 Pontes com Roteamento Fonte (Source Routing Bridges): Estas pontes foram
derivadas das redes Token Ring. Não existe uma tabela de roteamento na ponte. O
sistema a ela conectada é que possue a informação de roteamento e, cada quadro
transmitido, possui na sua estrutura uma informação de roteamento, indicando o
caminho que o quadro deve seguir até o seu destino.
A seguir são descritas algumas características inerentes as pontes transparentes, que
são as mais utilizadas.

8.3.3.1 Parâmetros de uma Ponte
É importante conhecer os parâmetros de uma ponte uma vez que estes influenciam o
comportamento global de uma rede estendida. Os parâmetros mais importantes são:
 número máximo de pacotes por segundo que uma ponte pode filtrar (receber e
processar);
 número máximo de pacotes por segundo que uma ponte pode retransmitir;
 tempo médio de latência de um pacote: é o tempo que decorre desde o momento
em que o pacote é lido para dentro da ponte até o momento em que ele é
retransmitido.
Para minimizar a possibilidade de perda de pacote é interessante que uma ponte
funcione a full-speed, isto é, que os dois primeiros parâmetros acima sejam iguais.
Esta condição deve ser verificada considerando os menores pacotes possíveis pois
estes incorrem em um tempo maior na decisão de filtragem. Por exemplo, para uma
ponte 802.3, considerando-se que os menores pacotes são de 64 bytes deve-se ter uma
taxa de 14880 pacotes por segundo.
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
8.3.3.2 Operação Básica da Ponte
A ponte funciona basicamente em duas etapas: processo de encaminhamento
(forwarding) e processo de aprendizado (learning process). No forwarding, a ponte
basicamente absorve(recebe) os pacotes nas suas portas e encaminha aos destinos
(usando endereços MAC). Neste processo ainda pode ocorrer o flooding caso a bridge
receba um pacote cujo endereço MAC destino não está listado na tabela. Se isso
ocorrer, ela envia o pacote para todas as portas, exceto a porta por onde o pacote foi
recebido. No processo de aprendizado ela constrói uma base de dados usada como
decisão de encaminhamento de pacotes. O processo de filtragem de pacotes realizado
por uma ponte pode ser resumido da seguinte forma:
SE pacote recebido na porta X é correto ENTÃO
SE porta X está em processo de forwarding ENTÃO
SE endereço de destino do pacote está na Base de Dados de Filtragem ENTÃO
SE destino está na mesma porta X ENTÃO
Descarta pacote
SENÃO
Encaminha pacote para a porta de destino (forwarding)
SENÃO
Encaminha para todas as portas menos a porta X (flooding)
SE endereço fonte se encontra na Base de Dados de Filtragem ENTÃO
Atualiza dados de localização da estação fonte
SENÃO
Insere nova estação associando a porta onde se encontra (learning)
SENÃO
Descarta pacote
FIM
O Algoritmo Spanning Tree
As pontes utilizam-se do processo de aprendizado para construir a tabela de filtragem.
O processo de construir esta tabela é simples quando a estrutura da ponte é em árvore.
Entretanto é interessante, por questões de confiabilidade, construir uma estrutura de
rede na forma de malha que, no entanto, pode levar a aparecer loops. Esta
configuração pode acarretar em mau funcionamento do sistema.
O algoritmo spanning tree foi criado para se executar em cada ponte do sistema, de
forma a gerar a partir da LAN estendida que está fisicamente em um loop, em uma
LAN lógica na forma de árvore. Em caso de falhas nas rotas primárias criadas pelo
sistema, o algoritmo deve fazer com que a rede se reconfigure rapidamente, sem
formação de loops nesta operação.
8.3.3.3 Pontes Remotas
Embora as pontes sejam normalmente utilizadas para conectar LANs em um âmbito
local, é possível utilizá-las para interconexão a grande distância. Por exemplo, é
possível conectar duas LANs ethernet via duas pontes, onde estas pontes possuem
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
uma porta adicional para conexão em WAN através de um protocolo típico de linha,
tal como o HDLC ou PPP. As Bridges comercializadas atualmente, normalmente
estão associadas a um DCE utilizando qualquer um dos meios básicos de transmissão.
Deve se observar que uma ponte não deve ser utilizada para construir redes em malha
neste caso, uma vez que o algoritmo spanning tree deve fazer com que alguns links
fiquem logicamente inativos, o que acarretará em custos desnecessários. Neste caso o
correto é utilizar-se de roteadores.
8.3.4 Switches
A principal limitação de desempenho da rede ethernet é devido ao compartilhamento,
de forma democrática, do suporte físico por várias estações, levando a ocorrência de
colisões. Uma solução para aumentar o desempenho desta rede é aumentar a
velocidade da mesma. Uma outra solução é comutar os quadros da ethernet dividindo
domínios de colisão.
SIMBOLOGIA:
Deve-se lembrar que os hubs convencionais reencaminham cada quadro recebido para
todos os demais segmentos a ele conectados. Isto restringe o fluxo de dados das
estações, uma vez que colisões podem ocorrer quando duas estações tentam acessar o
meio ao mesmo tempo. Desta forma, a largura de banda (“bandwidth”) é limitada, na
média, para cada dispositivo. Por exemplo, um hub com 8 portas proporciona em
média 10Mbps/8 de taxa para cada porta, sem considerar as probabilidades de colisão
no sistema, o que reduz esta taxa efetiva. A medida que mais usuários são colocadas
na rede o desempenho cairá, uma vez que aumenta o congestionamento no sistema.
Os comutadores (switch) ethernet associam as vantagens de concentração dos HUBs
com as funções de uma BRIDGE em cada porta – por isso ele é chamado também de
“Bridge multiporta” – Ou seja, o Switch é capaz de ler o endereçamento de destino
de um quadro e encaminhá-lo a um segmento que possui um domínio de colisão
diferente (porta) associado a este endereço. Os switches possuem duas diferenças
básicas do HUB. Em primeiro lugar, um switch não retransmite ou regenera dados
para cada porta, ele cria novos domínios de colisão para cada uma delas. O fluxo de
dados é restrito de uma porta para outra porta. Em segundo lugar, o switch suporta
comunicação simultânea entre pares de porta. Considere um hub de 8 portas. Em um
dado momento pode existir uma troca de dados simultânea entre a porta 1 com a 6, 2
com a 8, 3 com a 4 e 5 com 7. Desta forma a taxa de transmissão efetiva instantânea
pode atingir 4 X 10Mbps para estas condições de transmissão, já que são 4 enlaces
simultâneos de 10Mbps cada um.
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
Técnicas de Chaveamento (Switching)
Cross-Point: No chaveamento cross-point, cada pacote ethernet tem seu endereço
examinado ao entrar em uma porta. O switch então procura em uma tabela de
endereços associadas com as portas para obter a porta destino para a qual deve ser
encaminhado o pacote. Uma vez determinado, um circuito é “fechado” entre as duas
portas envolvidas na comunicação de forma que o pacote atinja seu destino final. Na
realidade, esta técnica minimiza retardos associados a recepção do pacote, uma vez
que não é todo pacote examinado, mas somente o endereço destino. Desta forma, o
uso desta técnica não permite a verificação de erros com o CRC do quadro. (pacote).
Pacotes errados são repassados de um segmento para o outro sendo descartados no
ponto final da comunicação, o que pode acarretar em ineficiência do sistema (embora
estas redes possuam baixas taxas de erros).
Store-and-Forward (armazena e encaminha): Nesta técnica cada pacote recebido é
completamente armazenado em um buffer (memória RAM) do switch. Isto possibilita
a verificação de CRC. No caso de erro no quadro, este é imediatamente descartado. Se
correto, o quadro é encaminhado para o segmento destino. O store-and-forward
aumenta os retardos do pacote no sistema mas possibilita a realização de funções
adicionais tais como filtros de pacotes e relatório estatístico de apoio ao
gerenciamento.
Métodos de Chaveamentos
Dois métodos podem ser empregados: chaveamento baseado em porta e chaveamento
baseado em segmento.
Chaveamento baseado em porta: Neste método o switch opera como uma matriz de
n x n portas, lendo um endereço do quadro de uma porta (provindo de uma estação) e
encaminhando para a porta destino. Um único endereço é suportado por porta. A taxa
de operação neste caso pode chegar a n X 10 Mbps.
Domínio de colisão momentâneo
entre duas estações
1
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2
4
Comutador (switch) Ethernet baseado em porta
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
Chaveamento baseado em segmento: Neste caso portas que se conectam a um
segmento podem estar associadas a mais de um endereço. Este método permite a
interconexão de segmentos principais de LANs, separando o tráfego entre estes
segmentos.
Quadros para o domínio 1
HUB
Domínio
ethernet 1
Switch
de Segmento
Quadros para o domínio 2
Domínio
ethernet 2
Switch Ethernet de Segmento
8.3.5 Routers
Na sessão anterior vimos que as pontes (Bridges), apesar de atuarem na camada de
enlace de dados (camada 2 ou data link layer) também são utilizadas para
interconexão entre redes. Só que a função da Bridge, mesmo sabendo que ela pode
interligar tecnologias diferentes (token-ring por exemplo), está limitada a união de
várias LANs, constituindo-se no final como uma rede única. No entanto, se nossoO
processo de interconexão entre subredes de arquiteturas bastante diferentes entre si
pode ser uma tarefa bastante complexa. Em particular esta consideração é aplicável a
uma conexão de uma rede local com uma rede de grande distância. Em redes de
grande distância existe na maior parte das vezes somente endereços de camada de
rede. Os roteadores tem o papel de transladar estes endereços, transladar formato de
pacotes e encaminhá-los da melhor forma possível por uma das diversas rotas
possíveis.
SIMBOLOGIA:
Os roteadores possuem um software mais elaborado que as pontes, tirando proveito
dos caminhos múltiplos existentes em uma rede complexa. Em geral, o roteador é um
equipamento dedicado específico ou mesmo uma estação particular na rede. Ele é
conectado a múltiplas subredes sendo que estas podem utilizar esquemas de
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
endereçamentos diferentes. Para cada porta do roteador existirá um endereçamento
correspondente. Desta forma o roteador viabiliza a formação de subredes em uma
rede maior.
Deve-se notar que o roteador é um equipamento ativo no sentido que possui endereços
e é portanto endereçável na rede, ao contrário do que ocorre nas pontes.
No mundo da Internet, os roteadores são chamados de gateways. Entretanto, gateway
possui um outro conceito no mundo do modelo OSI/ISO. A terminologia adotada será
então sempre roteador para estes dispositivos. O termo Intermediate System (IS) está
também associado a um sistema roteador no modelo OSI.
Exemplo de interligação de redes LAN com roteadores
8.3.5.1 Características de um Roteador
Um roteador recebe pacotes que lhe são endereçados por estações ou por um outro
roteador. Em função do endereço de destino e das informações contidas em uma
tabela de roteamento, o roteador determina a próxima subrede sobre a qual ele deve
retransmitir o pacote. O processo de roteamento como um todo baseia-se no salto do
pacote de roteador em roteador, onde caminhos alternativos ou redundantes podem
existir.
As decisões de roteamento são tomadas por um algoritmo que normalmente permite
conduzir o pacote pelo caminho mais curto possível. Os seguintes parâmetros são
universalmente aceitos para a realização do roteamento:
• número dos saltos efetuados na trajetória do pacote (hops) (ou o número de IS
atravessados ao longo do caminho);
• custo do caminho, determinado pela soma dos diversos segmentos (linhas)
atravessados pelo pacote.
Normalmente se requer de um roteador as seguintes características:
• Simplicidade do algoritmo de roteamento, tendo em vista limitações de memória e
de CPU;
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
• Robustez e adaptabilidade as variações de topologia do sistema;
• Otimização na escolha dos caminhos determinados pelo algoritmo de roteamento;
• Estabilidade no sentido de não variar a todo o momento as decisões de roteamento,
a não ser por motivos de variações de topologia;
• Tratamento igual aos nós, não privilegiando alguns nós sobre outros.
Os algoritmos de roteamento podem ser classificados em estáticos e dinâmicos. Os
estáticos (determinísticos) possuem um critério fixo de roteamento e necessitam da
intervenção do gerente de rede para atualizar as tabelas de roteamento quando da
mudança de topologia ou no caso de falhas em nós do sistema. Os algoritmos
dinâmicos permitem que a tabela de roteamento seja modificada de forma adaptativa
e automática a mudanças de toplogias ou do estado de links do sistema.
8.4 Segmentação de redes
Todos esses dispositivos e componentes - passivos e ativos - criam ou atuam nos bits.
Eles não reconhecem nenhum padrão de informação nos bits, nem endereços, nem
dados. Sua função é simplesmente mover os bits de um lado para o outro. A camada 1
é fundamental para a solução de problemas de rede e não deve ser subestimada.
Muitos problemas de rede podem ser atribuídos às terminações RJ-45, aos conectores,
aos repetidores, aos hubs ou aos transceivers danificados.
O conceito de Nuvem passa ser
utilizado com mais enfase a partir de
agora. Ela representa uma rede de
qualquer tecnologia. Esta simbologia
substituirá um conjunto de dispositivos
físicos e lógicos de qualquer camada de
1 à 7 que não seja representativos para
análise de uma rede de qualquer
dimensão:
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
LANs Básicas
8.4.1 Colisões e domínios de colisão em ambientes de camadas compartilhadas
8.4.1.1 Ambientes de meios compartilhados
Algumas redes são conectadas diretamente. Todos os hosts compartilham a camada 1.
Alguns exemplos são:
•
•
Ambientes de meios compartilhados - ocorrem quando vários hosts têm acesso ao
mesmo meio. Por exemplo, se vários PCs estiverem conectados ao mesmo cabo
físico, à mesma fibra óptica ou compartilham o mesmo espaço aéreo, todos eles
compartilharem o mesmo ambiente de meios compartilhados. Ocasionalmente,
você poderá ouvir alguém dizer "todos os computadores estão no mesmo cabo" .
Isso significa que todos compartilham o mesmo meio - mesmo que o "cabo" possa
ser o CAT 5 UTP, que tem quatro pares de fios.
Ambientes de meios compartilhados estendidos - é um tipo especial de ambiente
de meios compartilhado no qual os dispositivos de rede podem estender o
17
MÓDULO 2
•
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
ambiente para que ele possa acomodar multi-acesso ou mais usuários. Existem, no
entanto, aspectos negativos e positivos quanto a isso.
Ambiente de rede ponto a ponto - é o mais amplamente usado nas WANs e é com
o qual você está mais provavelmente familiarizado. É um ambiente de rede
compartilhado onde um dispositivo está conectado apenas a um outro dispositivo
através de um link.
Algumas redes são conectadas indiretamente, significando que alguns dispositivos de
rede da camada superior e/ou alguma distância geográfica estão entre os dois hosts em
comunicação.
Existem dois tipos:
•
Comutado por circuito - uma rede conectada indiretamente na qual os circuitos
elétricos reais são mantidos durante toda a comunicação. O sistema de telefonia
atual ainda é, em parte, comutado por circuito, embora em muitos países os
sistemas telefônicos estejam atualmente concentrando-se menos nas tecnologias de
comutação de circuitos.
•
Comutado por pacote - em vez de dedicar um link como uma conexão exclusiva
de circuito entre dois hosts em comunicação, a origem envia mensagens em
pacotes. Cada pacote contém informações suficientes para que possam ser roteados
para o host de destino correto. A vantagem é que vários hosts podem compartilhar
o mesmo link. A desvantagem é que pode haver conflitos.
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
8.4.1.2 Colisões e domínios de colisão
Um problema que pode ocorrer, quando dois bits se propagam ao mesmo tempo, na
mesma rede, é uma colisão. Uma rede pequena e lenta poderia funcionar em um
sistema que permitisse que apenas dois computadores enviassem mensagens, cada um
concordando em revezar-se. Isso significaria que ambos poderiam enviar mensagens,
mas só existiria um bit no sistema. O problema é que muitos computadores estão
conectados a grandes redes, cada um querendo comunicar bilhões de bits a cada
segundo. É também importante lembrar que os "bits" são na verdade pacotes contendo
muitos bits.
Problemas sérios podem ocorrer como resultado de muito tráfego na rede. Se houver
apenas um cabo interconectando todos os dispositivos em uma rede ou se os
segmentos de uma rede estiverem conectados apenas por dispositivos sem filtro, como
os repetidores, a possibilidade de haver mais de um usuário tentando enviar dados
pela rede ao mesmo tempo, é muito alta. A Ethernet permite apenas que um pacote de
dados acesse o cabo a qualquer momento. Se mais de um nó tentar transmitir ao
mesmo tempo, ocorrerá uma colisão e os dados de cada dispositivo serão afetados.
A área dentro da rede, onde os pacotes de dados foram originados e colididos, é
chamada de domínio de colisão e inclui todos os ambientes de meios compartilhados.
Um fio pode estar conectado a outro fio através de patch cables, transceivers, patch
panels, repetidores e até mesmo hubs. Todas essas interconexões da camada 1 são
parte do domínio de colisão.
Quando uma colisão ocorre, os pacotes de dados que estão envolvidos são aos poucos
destruídos. Para evitar esse problema, a rede deve ter um sistema que consiga
gerenciar a competição no meio (contenção). Por exemplo, um sistema digital pode
reconhecer apenas dois estados de tensão, luz ou onda eletromagnética. Portanto, em
uma colisão, os sinais interferem, ou colidem, entre si. Da mesma forma que dois
carros não podem ocupar o mesmo espaço na mesma rua ao mesmo tempo, dois sinais
também não.
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
8.4.1.3 Acesso compartilhado como um domínio de colisão
Como um profissional de rede, uma habilidade importante é a de reconhecer os
domínios de colisão. Se você tiver vários computadores conectados a um único meio
sem outros dispositivos de redes conectados, haverá uma situação de acesso
compartilhado básica e você terá um domínio de colisão. Dependendo da tecnologia
específica usada, essa situação limita o número de computadores que podem usar
aquela parte do meio, também chamada de segmento.
8.4.1.4 Repetidores e domínios de colisão
Os repetidores geram novamente os bits e os retemporizam, mas não podem filtrar o
fluxo de tráfego que passa por eles. Os dados (bits) que chegam à porta de um
repetidor são enviados por todas as outras portas. Usar um repetidor estende o
domínio de colisão, logo, a rede nos dois lados do repetidor é um domínio de colisão
maior.
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
8.4.1.5 Hubs e domínios de colisão
Você já aprendeu que o outro nome do hub é um repetidor multiporta. Qualquer sinal
que entre em uma porta do hub é gerado novamente, retemporizado e enviado para as
outras portas. Portanto, os hubs, que são úteis para conectar um grande número de
computadores, estendem os domínios de colisão. O resultado final será uma
diminuição no desempenho da rede se todos os computadores naquela rede estiverem
solicitando, simultaneamente, grandes larguras de banda.
8.4.1.6 Hubs e repetidores como causas dos domínios de colisão
Como os repetidores e os hubs são dispositivos da camada 1 e, portanto, não
filtram tráfego de rede, estender um pedaço de cabo com um repetidor e terminar essa
extensão com um hub, simplesmente resulta em um domínio de colisão maior.
8.4.1.7 A regra dos quatro repetidores
A regra dos quatro repetidores na Ethernet afirma que não mais de quatro
repetidores ou hubs de repetição podem ficar entre dois computadores na rede. Cada
repetidor adiciona latência ou retarda os bits à medida que a força dos sinais aumenta.
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
Exceder a regra dos quatro repetidores pode levar à violação do limite de delay
máximo. Quando esse limite de delay for excedido, o número de colisões retardadas
aumentará muito. Uma colisão retardada, é quando ocorre uma colisão depois que os
primeiros 64 bytes do quadro são transmitidos. Os conjuntos de chips nas placas de
rede não são necessários para retransmitir automaticamente quando uma colisão
retardada ocorre. Esses quadros de colisão retardada adicionam delay chamados de
delay de consumo. À medida que o delay de consumo e a latência aumentam, o
desempenho da rede diminui. Essa regra fundamental da Ethernet é também
conhecida como a regra 5-4-3-2-1. Cinco sessões de rede, quatro repetidores ou hubs,
três seções da rede são segmentos "de mistura" (com hosts), duas seções são
segmentos de link (para fins de link) e um grande domínio de colisão.
8.4.1.8 Segmentando os domínios de colisão
Embora os repetidores e os hubs sejam dispositivos de redes úteis e
econômicos, eles estendem domínios de colisão, portanto, prejudicam o desempenho
da rede por causa do excesso de colisões. O tamanho dos domínios de colisão podem
ser reduzidos usando-se dispositivos de rede inteligentes que interrompem os
domínios. Exemplos desse tipo de dispositivo de rede são as bridges, os switches e
roteadores. Esse processo é chamado de segmentação.
A bridge pode eliminar o tráfego desnecessário em uma rede sobrecarregada
dividindo a rede em segmentos e filtrando o tráfego baseado no endereço da estação.
O tráfego entre os dispositivos no mesmo segmento não atravessa a bridge e afeta
outros segmentos. Isso funciona bem enquanto o tráfego entre os segmentos não se
torna pesado. Do contrário, a bridge pode virar um gargalo e retardar a comunicação.
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
A melhor solução: Switching e um bom planejamento da rede! Siga as dicas:
a) Divida a LAN em vários domínios de colisão independentes de forma
departamental, ou seja, separe a rede conforme o perfil de uso de máquinas ou
servidores compartilhados;
b) Dimensione e distribua equipamentos ativos na LAN, com características que
permitam sua reconfiguração para uma nova topologia de rede. Em LANs maiores
a facilidade de gerenciamento é imprescindível!
c) Utilize ao máximo o que sua infraestrutura de ativos pode oferecer antes de fazer
seu upgrade. Nem sempre o aumento da velocidade de dispositivos da rede
melhora seu desempenho.
Veja o exemplo na figura a seguir.
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
8.5 Especificações dos dispositivos de rede: HUB e SWITCH
Quase todos os equipamentos de rede disponíveis comercialmente, seguem os padrões
dos organismos internacionais tanto no aspecto mecânico quanto no elétrico ou
funcional. Não obstante, os fabricantes ainda incorporam facilidades ou
características adicionais que agregam valor ao produto para obter diferencial
competitivo para alavancar suas vendas. Muitas dessas características ainda são
desenvolvidas de modo a ter compatibilidade com outros dispositivos como por
exemplo um protocolo de gerenciamento baseado em SNMP. Atualmente fabricantes
como CISCO, 3com, Nortel, Foundry, Enterasys, Trellis, SMC, Cyclades entre outros,
lideram o mercado de equipamentos de conectividade (internetworking). Este
documento procura identificar as principais características mecânicas e elétricas mais
comuns comercialmente, indispensáveis para o conhecimento do administrador de
uma rede de computadores que pretende especificar a compra de um equipamento de
rede. Normalmente a palavra “concentrador” está difundida como designação de um
HUB. Mas aqui procura-se mostrar que fisicamente, HUB, SWITCH e ROUTER são
todos equipamentos concentradores de fato das redes de computadores onde, suas
características especiais abre um leque de inúmeros modelos disponíveis no mercado.
Uma sutil característica não prevista para a especificação de qualquer concentrador de
rede pode provocar um desastre no orçamento de qualquer projeto. As quantidades de
recursos quando destacadas, são limites encontrados nos diversos equipamentos e
fabricantes analisados.
HUB
1.
INSTALAÇÃO
Desktop (mesa) ou Rack (com opção mesa) respectivamente:
2. ESTRUTURA
MONOBLOCO – Padrão Desktop (mesa) 1U ou 2U para rack ou mesa – Desktop
Puro – só mesa;
MODULAR (ou componível) – Totalmente composto por módulos e chassi básico.
FONTE REDUNDANTE – Fontes com circuitos adicionais que permitem a
comutação entre elas sem a descontinuidade de alimentação no caso de falha de uma
delas (operação em paralelo).
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CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
3. NÚMERO DE PORTAS
UTP – 10/100 – até 48;
FIBRA – 100M – até 8.
4. CASCATEAMENTO
a) Stand-Alone – Não cascateável;
b) Via cabo backplane (Chassi Passivo) – Extensão do barramento interno através de
um cabo e porta paralela especial até 4 portas específicas ou da capacidade de
transmissão do backplane;
c) Via módulo Ativo – Interligam equipamentos de mesmo tipo com alimentação
independente de outros módulos – Usa cabo e porta especial com protocolos
proprietários – até 2 portas.
5. UPLINK (ou enlace de montante) – São portas que se prestam para a
interligação de outro equipamento de maior capacidade ou funcionalidade:
6.
Portas: 100BaseTX ou 100BaseFX - (não confundir com porta de cascateamento que
seria uma porta idêntica ao propósito da ligação de um ponto de rede. Neste caso voce
simplesmente fica com 1 porta a menos em cada HUB cascateado):
a) sem filtragem: mera porta de ligações de estações;
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
b) com filtragem: São transmitidos os pacotes cujo MAC não pertence ao segmento
local.
7. ARMAZENAMENTO
a) Sem Armazenamento: Repete simplesmente pacotes para todas as portas do
segmento;
b) Com Armazenamento: Armazena pacotes para evitar colisões (dado em número de
pacotes).
8. GERENCIAMENTO
Um sofware proprietário ou padrão permite acessar todos os recursos especiais do
HUB de forma localmente ou remota.
a) Gerenciamento local: Através da porta de console: Serial RS232;
b) Gerenciamento Remoto:
- Através de modem conectado a porta de console;
- Através de Telnet ou Browser – Quando o equipamento pode ser endereçável
na camada 3.
Recursos comuns de gerenciamento:
- Segmentação - Através de um software de gerenciamento, é possível dividir as
portas disponíveis em segmentos diferentes produzindo domínios de colisão
independentes (como por exemplo , construindo vários Hubs em um só);
- Resiliencia – Permite que uma porta fique de stand-by para substituir
eventualmente uma porta (normalmente denominada como principal) que
apresente defeito;
- Inibição de Portas – Permite o controle de todas as portas para isolá-las do
segmento ou realização de testes;
- Recursos de monitoração – Normalmente recursos gráficos e reprodução do
próprio painel ou indicadores são possíveis para a monitoração do status e
estatísticas de cada segmento ou de cada porta individualmente. Estas
informações poderão ser armazenadas e impressas para diagnose da rede a
qualquer tempo;
- Alarmes – Sinalização visual no frontal e tela de gerenciamento de situações
anormais como erros em excesso ou queda de comunicação.
- Acesso – Limitação de configuração dos recursos do dispositivo incluindo seus
filtros através de uso de senha e/ou em conjunto com o número MAC da placa
de rede;
- Análise de pacotes entre outros
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
SWITCH
1.
INSTALAÇÃO
a) Desktop ou Rack;
b) Rack 19’ou chassi especial.
2. ESTRUTURA
MONOBLOCO – Padrão Desktop (mesa) 1U ou 2U para rack ou mesa – Desktop
Puro – só mesa
MODULAR (ou componível) – Totalmente composto por módulos e chassi básico;
FONTE REDUNDANTE – Fontes com circuitos adicionais que permitem a
comutação entre elas sem a descontinuidade de alimentação no caso de falha de uma
delas (operação em paralelo).
3. FUNÇÕES
a) Camada 2:
- Multicast – endereçamento para um grupo de máquinas específico
- Agregação de Enlaces (ou Trunking): Permite que vários enlaces físicos (de 2 à
255) sejam agregados como único enlace lógico de maior velocidade (portas
100BaseTX/FX ou 1000BaseT/SX/LX.
- Criação de LAN virtual (VLAN) com tabelas independentes.
b) Camada 3 (ou até 4)
- Encaminhamento de pacotes IP, IPX ou Appletalk;
- Endereçável por nº IP para gerenciamento pela rede;
- Funções especiais de servidor DHCP ou DNS e interface WAN (routing)
4. NÚMERO DE PORTAS
a) Não modulares:
- UTP/STP – 10/100/1000Mbps – até 48 ou 80 portas (Cisco);
- Fibra – 10/100/1000Mbps – até 24 portas;
- AUI – até 2 portas.
b) Modulares: Número de slots e de portas por slot do equipamento. Cada slot pode
conter:
- 10BaseFL/10baseTX – até 8 portas
- 10/100baseT – até 48 portas;
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
- 100BaseFX – Até 24 portas;
- 100BaseT/SX/LX/CX – até 16 portas.
5. CASCATEAMENTO/EMPILHAMENTO (STACK)
a) Stand-Alone – Não cascateável;
b) Via cabo backplane (Chassi Passivo) – Extensão do barramento interno através de
um cabo e porta paralela especial – de 3 até 8 unidades ou até a capacidade de
transmissão do backplane;
c) Via módulo Ativo – Interligam equipamentos de mesmo tipo com alimentação
independente de outros módulos – Usa cabo e porta especial com protocolos
proprietários. Até 32 portas ou limitadas a taxa do Backplane de 3,2 à 1.680Gbps.
d) UPLINK (ou enlace de montante) – São portas que se prestam para a
interligação de outro equipamento de maior capacidade ou funcionalidade (não
confundir com porta de cascateamento que seria uma porta idêntica ao propósito da
ligação de um ponto de rede. Neste caso voce simplesmente fica com 1 porta a menos
em cada SWITCH cascateado):
Portas (notar que são portas de maior capacidade):
- 100BaseT/FX
- 1000BaseSX/LX/T
- ATM/GBIC
6. ARMAZENAMENTO
Capacidade de armazenamento de endereços MAC por porta normal de 1 à 16K ou
até 8096K em equipamentos modulares/empilháveis.
7. ALGORÍTIMOS
- Spaning-tree
- Store and Forward
- Auto-negociação e Auto-sensing para UTP/STP de taxas de transmissão e
modos (full/half);
- Auto MDIX
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MÓDULO 2
CAPÍTULO8 – Dispositivos de Rede e Segmentação
8. PROTOCOLOS
a) Multicast
- GMRP-GARP – Multicast Register Protocol;
- IGMP snooping.
b) Virtual LAN (VLAN) – conforme IEEE802.1q
- VLANtag – Capaz de reconhecer e tratar quadros que contenham tag de
VLAN;
- Aprendizado de VLAN – Aprendizado do endereço e mapeamento de estações:
 Independente: tabela de cada VLAN com os MAC/porta;
 Compartilhado: Tabela única com os MAC/porta/VLAN.
- GVRP – GARP VLAN Register Protocol – Registro do equipamento em
VLANs.
9. PERFORMANCE
a) full-speed – Número máximo de pacotes filtrados = retransmitidos (os melhores
processam > 15mil pacotes por segundo @64bytes);
b) Tempo de Latência – Tempo entre a entrada e saída do pacote do dispositivo:
melhores <6ms.
c) Capacidade da matrix de comutação de 1 à 76,8 Gbps
10. GERENCIAMENTO
Um sofware proprietário ou padrão permite acessar todos os recursos especiais do
HUB de forma localmente ou remota.
c) Gerenciamento local: Através da porta de console: Serial RS232;
d) Gerenciamento Remoto:
- Através de modem conectado a porta de console;
- Através de Telnet ou Browser – Quando o equipamento pode ser endereçável
na camada 3.
Recursos comuns de gerenciamento similares aos vistos no HUB agregando:se:
Mapeamento das VLANs – Visualização e controle das VLANs configuradas;
- Configuração serviços IP/IPX/Appletalk e Multicast;
- Relatórios de avaliação da rede entre outros.
-
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