Redes locais

Aprendizagem de MAC, domínios, VLANs, spanning tree, Ethernet e Wi-Fi.

TLDR

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A envia uma trama a B através de um comutador. O equipamento consulta o endereço MAC de destino para escolher a porta de saída e aprende onde está A pelo MAC de origem; o IP do pacote encapsulado não participa nesta decisão de comutação.

Aprendizagem e reenvio

Para cada trama recebida, o comutador:

  1. Aprende ou atualiza o MAC de origem, associado à porta de entrada e à VLAN.
  2. Se conhece o MAC de destino noutra porta, reenvia só por essa porta.
  3. Se conhece o destino na própria porta de entrada, filtra a trama.
  4. Se não conhece o destino, inunda as outras portas da mesma VLAN.
  5. Broadcast é difundido nessa VLAN. O tratamento de multicast pode ser refinado por mecanismos adicionais.

A tabela tem envelhecimento. Uma estação que muda de porta pode ser reaprendida; não é preciso aguardar sempre pela expiração. A inundação não altera os endereços da trama.

Exemplo. Liga A, B, C e D às portas 1 a 4 com tabela vazia.

TramaAprendeDestinoDecisão
A→BA:1DesconhecidoInunda 2, 3, 4
B→AB:2Conhecido noutra portaEnvia só para 1
C→AC:3Conhecido noutra portaEnvia só para 1
D→CD:4Conhecido na porta 3Envia só para 3
C→DC:3Conhecido na porta 4Envia só para 4

A última trama sai pela porta 4, onde a trama anterior ensinou a localização de D. Repara que aprender e decidir são operações separadas: cada trama ensina a sua origem, mas só o destino decide a saída. Para haver filtragem na entrada, C e D teriam de estar no mesmo segmento ligado a uma só porta; a topologia em estrela desenhada aqui não tem esse caso.

Ethernet e domínios

Uma trama Ethernet inclui MAC de destino e origem, tipo ou comprimento, dados e FCS. O FCS é a verificação CRC no fim; deteta erros e leva a descartar a trama, enquanto a retransmissão fiável, se necessária, fica noutro protocolo.

Um domínio de colisão partilha um meio half-duplex. Um concentrador liga as estações ao mesmo domínio; num comutador, cada porta separa esse domínio, e em full-duplex não há colisões nesse enlace. Um domínio de broadcast é o conjunto alcançado por uma trama broadcast; um comutador sem separação em VLANs não o divide, e um router separa redes de ligação sem reenviar simplesmente o broadcast Ethernet recebido.

O tempo de transmissão pode incluir mais do que os bytes de dados. Quando pedido, conta preâmbulo, delimitador, trama e intervalo entre tramas. Identifica se o enunciado conta o intervalo como tempo ocupado ou apenas como espera antes da seguinte.

VLANs e trunks

Uma VLAN define um domínio de ligação lógico. Portas de acesso pertencem habitualmente a uma VLAN e ligam terminais. Uma ligação trunk transporta várias VLANs entre equipamentos, identificadas por etiquetas 802.1Q conforme a configuração.

A e B na VLAN 10 podem trocar tramas. A e C em VLANs diferentes precisam de encaminhamento entre redes, mesmo no mesmo aparelho. Um comutador multicamada pode executar esse encaminhamento. A separação depende de configuração correta; não significa que todos os fluxos entre VLANs sejam proibidos por definição.

Ciclos e spanning tree

Ligações redundantes criam ciclos físicos. Um broadcast pode circular e multiplicar-se, porque Ethernet não tem TTL como IP, e a aprendizagem MAC também pode oscilar.

Spanning Tree escolhe uma topologia lógica sem ciclos. Os equipamentos elegem a raiz pelo menor identificador, depois o menor custo até à raiz, e desempatam por menor identificador de ponte e de porta. As portas redundantes deixam de encaminhar. Não memorizes «desliga o cabo mais caro»: o algoritmo usa identificadores, custos e desempates.

Num triângulo A-B-C, é possível manter as três ligações físicas e permitir encaminhamento em apenas duas. O caminho ativo pode deixar de ser o caminho fisicamente mais curto para certos pares, pois a prioridade é impedir ciclos.

Escolher portas num triângulo

Supõe identificadores A=1, B=2 e C=3, custos iguais a 1 em todas as ligações e uma ligação por par. A é a raiz pelo menor identificador. B e C escolhem a ligação direta a A como porta raiz, porque custa 1, enquanto o percurso pelo outro custaria 2.

Na ligação B–C, ambos anunciam custo 1 até A. O empate escolhe B pelo menor identificador como lado designado; a porta de C voltada para B fica bloqueada para dados. As ligações A–B e A–C continuam ativas, e B–C mantém-se física mas não transporta tramas de dados de ponta a ponta.

Entre B e C, os dados passam agora por A, com custo 2, embora exista uma ligação física de custo 1. STP escolhe uma árvore ligada à raiz e resolve papéis de portas; não calcula o caminho mínimo individual para todos os pares nem a árvore de menor soma de custos.

Wi-Fi: associação e mobilidade

Um BSS agrupa estações numa célula Wi-Fi. Na infraestrutura usam um ponto de acesso. O SSID identifica a rede apresentada e o BSSID o conjunto concreto. Canais sobrepostos, interferência, distância e contenção afetam o débito útil.

A associação estabelece a relação entre estação e ponto de acesso; autenticação e proteção de dados dependem do mecanismo usado. Não confundas encontrar uma rede com conseguir autenticar-te nela. Um conjunto de pontos de acesso interligados pode formar um ESS, Extended Service Set, e permitir mobilidade entre células.

As tramas 802.11 podem conter mais campos de endereço que Ethernet, distinguindo transmissor, recetor e extremos da entrega. O ponto de acesso interliga o meio sem fios ao sistema de distribuição, sem ser necessariamente um router IP. O acesso ao meio sem fios, com contenção, ACK e estações escondidas, está na página de acesso ao meio.

Seguir IP e MAC ao longo do caminho

A envia para B noutra rede. A constrói pacote com IP origem A e destino B, mas a trama leva o MAC do gateway, obtido por ARP. O router recebe-a e constrói outra com o seu MAC de saída e o MAC do próximo salto.

Local observadoIP de origemIP de destinoMAC de origemMAC de destino
Ligação A→routerABAInterface de entrada do router
Ligação router→BABInterface de saída do routerB

Assume aqui ausência de NAT, túneis e outros routers. Um comutador entre A e o router encaminha a trama, mas não substitui o MAC de origem pelo seu. Esta distinção é central em questões de escolha múltipla.

Exercícios

Filtrar uma trama

Tabela conhece A e B na porta 1. Chega pela porta 1 uma trama de A para B. O comutador?

A tua resposta

Pista

Consulta a tabela antes de inundar.

Solução

Filtra a trama no encaminhamento. A aprendizagem da origem pode ser atualizada na mesma operação.

  • Filtra e não reenvia por outra porta.. O destino é conhecido na mesma porta da origem recebida.
  • Inunda todas as restantes portas.. Só inunda um unicast cujo destino é desconhecido.
  • Muda o MAC de destino para o seu.. O comutador não substitui os endereços para encaminhar a trama.

Erros frequentes

Tratar destino conhecido na entrada como destino desconhecido.

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Observar o último salto

B enviou um pacote a A através de um router R, sem NAT. Na trama que chega a A, quais as origens IP e MAC?

A tua resposta

Pista

Distingue extremo do pacote e extremo da trama.

Solução

IP de B e MAC da interface de R que envia para a rede de A.

  • IP de B; MAC da interface de saída de R.. IP identifica a origem do pacote; MAC identifica o emissor no salto local.
  • IP de R; MAC de B.. O router não substitui o IP de origem neste cenário.
  • IP de B; MAC do comutador intermédio.. O comutador mantém a origem da trama.

Erros frequentes

Atribuir o MAC de origem ao comutador.

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Escolher as portas que evitam um ciclo

A, B e C formam um triângulo de comutadores na mesma VLAN. Os identificadores são 1, 2 e 3, respetivamente, e cada ligação custa 1. Há só uma ligação por par. Em STP, escolhe raiz, portas raiz e a porta bloqueada para dados, usando o menor identificador de ponte no empate. Por onde passa uma trama unicast de B para C depois de convergir? Assume os MAC conhecidos. Explica ainda o risco de inundar broadcasts antes de eliminar o ciclo.

Pista
Escolhe primeiro a raiz. Compara depois o custo até ela anunciado em cada extremo da ligação B–C.
Solução

A é a raiz. B e C chegam diretamente a A com custo 1, por isso essas são as suas portas raiz. Em B–C, ambos anunciam custo 1; B vence pelo identificador 2, inferior a 3. O lado de B é designado e a porta de C virada para B fica bloqueada para dados.

A trama B→C percorre B–A–C. A ligação física B–C continua presente, mas não é um caminho ativo para dados. Sem o bloqueio, cópias de um broadcast podem regressar e ser inundadas repetidamente; Ethernet não tem TTL para as eliminar. STP evita o ciclo lógico, sem procurar o caminho mínimo para cada par.

Confere a tua resposta:

  • Escolho A como raiz pelo menor identificador.
  • B e C escolhem a ligação direta a A como porta raiz.
  • Desempato B–C por identificador e bloqueio a porta de C.
  • Explico por que B chega a C através de A depois do bloqueio.
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Aprender endereços e reaprender uma mudança

Um comutador de quatro portas, todas na mesma VLAN, começa com tabela vazia. A, C e D estão nas portas 1, 3 e 4. Chegam A→C, C→A, D→A e A→D. Indica aprendizagem e saídas por trama. Depois D muda fisicamente para a porta 2 e envia a C. Indica a atualização e a saída da trama seguinte de A para D. Não há expiração de entradas neste intervalo.

Pista
Em cada linha, aprende primeiro a origem e só depois consulta o destino.
Solução

A→C aprende A:1 e inunda 2, 3, 4. C→A aprende C:3 e sai em 1. D→A aprende D:4 e sai em 1. A→D atualiza A:1 e sai em 4.

Quando D envia pela porta 2, a origem da trama atualiza D:2; C já é conhecido e a trama sai em 3. A→D passa então a sair em 2. O comutador não aprende a localização de C só por C aparecer como destino. A atualização pela origem permite acompanhar a mudança sem esperar pelo envelhecimento da entrada antiga.

Confere a tua resposta:

  • Aprendo a origem mesmo com destino desconhecido.
  • Inundo apenas as outras portas da VLAN.
  • Atualizo D para a porta 2 quando recebo uma trama dessa origem.
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Álgebra, lógica e uma ideia de cada vez.

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