Seleção de Tecnologias e Dispositivos para Redes de Campus

• O projeto físico envolve a seleção de:
  • Cabeamento
  • Protocolos das camadas física e de enlace
  • Dispositivos de interconexão (hubs, switches, roteadores)
• Não escolha "certa" para todas as circunstâncias (ou mesmo uma circunstância particular)
• Neste capítulo, estudamos como fazer o projeto físico para uma rede de campus
  • Rede de alguns kilometros de diâmetro
• No final veremos um exemplo completo de um projeto de uma rede de campus

Projeto de cabeamento para LANs

• Não cobrimos o assunto em detalhes
• De forma geral, o planejamento de cabeamento tem que levar em consideração que este poderá ser usado durante mais tempo (vários anos) do que as tecnologias de rede que o usarão
• Em muitos casos, o projeto tem que se adaptar a um cabeamento existente, como já foi levantado num capítulo anterior:
  • Topologias de cabeamento de prédios
  • Topologias de cabeamento de campus (entre prédios)
  • Tipos e comprimentos dos cabos entre prédios
  • Localização dos armários de cabeamento (wiring closets) e salas especiais de conexões
  • Tipos e comprimentos de cabos verticais entre andares
  • Tipos e comprimentos de cabos da área de trabalho, entre armários de cabeamento até as estações

Topologias de cabeamento

• Há dois grandes tipos de topologias:
  • Cabeamento centralizado, onde todos os cabos vão para uma única área física
  • Cabeamento distribuído, onde os cabos podem terminar em várias áreas físicas

Topologias de cabeamento para prédios

• Dentro de um prédio pequeno, uma arquitetura centralizada ou distribuída pode ser usada, já que todos os cabos poderão ter menos de 100 m
• Num prédio grande, onde os cabos individuais seriam grandes demais, deve-se usar uma arquitetura distribuída

Topologias de cabeamento para o campus

• Entre prédios, há mais perigos físicos
  • Escavações, enchentes, ...
• Pode haver outras restrições
  • Cruzamento de áreas pertencendo a outras empresas
  • Nesses casos, pode-se utilizar tecnologia sem fio (microondas, rádio, laser)
• Por esses, motivos, deve-se ter mais cuidado com o cabeamento entre prédios
• A disponibilidade é melhor para uma arquitetura distribuída, pois evita um ponto úmico de falha
  • Porém, o manuseio pode ser mais complicado

Tipos de cabos

• Cabo metálico (cobre) com blindagem (shield), incluindo
  • Shielded tswited pair (STP)
  • Coaxial (não é mais popular)
  • Twin-axial (twinax)
• Cabo metálico (cobre) sem blindagem (UTP)
  • O tipo mais usado dentro de prédios
  • Há várias categorias de UTP
    • Cat 1 e Cat 2 não são recomendados para dados
    • Cat 3 (Voice grade): até 16 MHz
      • Pode ser usado com Ethernet 10BASET
    • Cat 4: até 20 MHz (não usado)
    • Cat 5: até 100MHz (o mais usado)
    • Cat 5 estendido: até ?MHz
• Fibra ótica
  • Muito usada entre prédios e para cabeamento vertical
  • Não usada, normalmente, até as estações (muito caro)
  • Dois tipos: multimodo (com LED) e monomodo (com laser)
  • Não sujeito a ruído, interferência eletromagnética, cross-talk
  • Com Wave Division Multiplexing, atinge 40 Gbps (ou mais)

Tecnologias LAN

• Essas tecnologias devem ter sido cobertas em outras disciplinas
  • IEEE 802.3 (Ethernet) e derivados (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet)
    • Half e full duplex, 10, 100 e 1000 Mbps
  • ATM
    • Usado com LAN Emulation (LANE) ou Multiprotocolo over ATM (MPOA)
    • 155, 622 Mbps e até 10 Gbps (OC-192)
    • Menos usado no campus devido a Gigabit Ethernet
  • Token ring (obsoleto)
  • FDDI (obsoleto)
• Entender Ethernet e ATM é fundamental para poder escolher tecnologias para redes de campus
• A seleção hoje é frequentemente 100BASETX nas pontas e ATM ou Gigabit Ethernet para o backbone
  • Mas tem muitas redes existentes com 10BASET

Seleção de dispositivos de interconexão para uma rede de campus

• Neste ponto, você já deve ter uma idéia de quais segmentos serão compartilhados e chaveados (switched) e onde estarão feito o roteamento
• Observe a regra "Switch when you can, route when you must"
• Resumo das diferenças entre hubs, pontes, switches e roteadores

• Agora, dispositivos de fabricantes particulares devem ser escolhidos, baseando-se nos critérios abaixo
• Critérios gerais
  • Número de portas
  • Velocidade de processamento
  • Latência
  • Tecnologias de LAN suportadas (Ethernet 10/100/1000, ATM, ...)
  • Auto-sensing da velocidade (Ethernet 10/100)
  • Cabeamento suportado
  • Facilidade de configuração
  • Gerenciabilidade (suporte a SNMP e RMON)
  • Custo
  • MTBF e MTTR
  • Componentes hot-swappable
  • Suporte a fontes de alimentação redundantes
  • Disponibilidade e qualidade do suporte técnico
  • Disponibilidade e qualidade da documentação
  • Disponibilidade e qualidade do treinamento (para equipamentos complexos)
  • Reputação do fabricante
• Critérios adicionais para switches
  • Vazão em quadros por segundo (ou células para ATM)
  • Suporte a cut-through switching
  • Auto-detecção de modo half- e full-duplex
  • Suporte a Spanning Tree
  • Suporte a VLANs, incluindo formas de definir VLANs e suporte a protocolos de trunking
  • Padronização dos protocolos usados
  • Suporte a IGMP para multicast (para aplicações multimídia)
• Critérios adicionais para roteadores (e switches de camada 3)
  • Protocolos de camada 3 suportados
  • Protocolos de roteamento suportados
  • Suporte a RSVP, multicast IP
  • Habilidade de agir como LES, BUS, LECS, LES em ambiente ATM
  • Suporte a features de otimização (enfileiramento especial, ...)
  • Suporte a compressão
  • Suporte a criptografia
  • Funções de firewall
  • Load balancing

Exemplo do projeto de uma rede de campus

• O exemplo que segue é um caso real (mas o nome do cliente foi mudado)

Informação inicial

• Cliente: Faculdades Integradas Onipresentes Fernando do Ó
• 400 alunos (tempo integral e tempo parcial)
• 30 professores
  • Metade com salas permanentes no campus
• Áreas: Humanidades, Negócios, Ciências Sociais, Matemática, Ciência da Computação, Ciências da Terra, Física, Medicina
• 15 funcionários de apoio
• 3 administradores de rede em tempo parcial
• Percepção de que mais alunos não se inscrevem por causa da deficiência na infraestrutura computacional
• Orçamento de US$350.000 para atualizar os laboratórios e a rede no campus
  • Não haverá mais verba para administração e gerência da rede
  • Portanto, o projeto deve ser simples e a rede facilmente gerenciada

Requisitos de negócios e técnicos

• Requisitos de negócio
  • Aumentar a matrícula de 400 a 500 anos em 2 anos
  • Reduzir a taxa de evasão de 30% para 15% em 2 anos
  • Atrair alunos que deixam o estado à procura de faculdades com vantagens tecnológicas
  • Prover mais e maiores laboratórios de computação no campus
  • Permitir que usuários conectem seus computadores portáteis à rede do campus para acessar serviços da Faculdade e da Internet
  • Manter (ou reduzir, se possível) o orçamento operacional para a rede
• Requisitos técnicos
  • Centralizar todos os serviços e servidores de forma a facilitar a administração e reduzir custos
    • Servidores decentralizados serão tolerados mas não gerenciados e seu tráfego não será levado em consideração no planejamento da rede
  • Centralizar a conexão à Internet e proibir conexões departamentais à Internet
  • Aumentar a velocidade da conexão à Internet para suportar novas aplicações e um aumento no uso de aplicações existentes
  • Padronizar o protocolo TCP/IP para a rede de campus
    • MacIntoshes serão permitidos mas devem usar o protocolo TCP/IP ou o AppleTalk Filing Protocol (AFP) rodando em cima de TCP/IP
  • Prover portas adicionais nas switches de forma a permitir que alunos conectem seus PCs notebook à rede
  • Instalar DHCP nos servidores Windows NT para dar suporte aos notebooks
  • Prover um tempo de resposta de, no máximo, 100 ms para aplicações interativas
  • Prover uma disponibilidade da rede de 99,90%, com MTBF de 3000 horas (4 meses) com MTTR de 3 horas
    • Falhas no acesso à Internet que fujam ao controle da faculdade não serão contabilizadas
  • Prover segurança para proteger a conexão Internet e a rede interna de hackers
  • Prover uma rede com escalabilidade que permita o uso futuro de aplicações multimídia
  • Prover uma rede que utilize tecnoloigia estado-da-arte
• Convencer os usuários de Matemática e Computação não foi simples
  • Deve-se prover uma rede com alta disponibilidade de forma a que tais usuários não procurem implantar suas próprias soluções

Aplicações de rede

• Aplicações existentes de uso geral
  • Processamento de texto (papers, listas de exercícios, etc.) incluindo a impressão e armazenamento de arquivos em servidores de arquivos
  • Envio e recepção de E-mail
  • Navegar na Web para acessar informação, participar de chat, jogar, etc.
  • Acessar o cadastro da biblioteca
• Aplicações existentes para o Centro de Ciências e Tecnologia
  • Modelagem do tempo
    • Alunos e professores de Meteorologia participam de um projeto para modelar padrões climáticos juntamente com outras faculdades e universidades do estado
  • Monitoração de telescópio
    • Alunos e professores de Astronomia usam um PC para continuamente fazer download de imagens gráficas de um telescópio localizado na universidade estadual
• Aplicações administrativas
  • Um sistema acadêmico executa em ambiente Novell NetWare
• Aplicações novas planejadas
  • Upload de gráficos
    • O Departamento de Artes deseja fazer upload de volumosas imagens gráficas para impressão laser numa gráfica fora do campus
  • Ensino à distância
    • O Departamento de Ciência da Computação deseja participar de um projeto piloto de ensino à distância juntamente com a universidade estadual
    • Alunos da faculdade poderão receber fluxos de vídeo de aulas dadas na universidade estadual
    • Durante a aula, os alunos podem participar da aula via sala de chat apenas

A rede atual

• No passado, devido à comunidade não permanente da faculdade, a suposição era que alunos e professores usariam mais seus computadores em casa do que na faculdade
• Devido a essa suposição, a rede atual consiste apenas de alguns laboratórios de computação espalhados e um único laboratório principal localizado no Centro de Computação no térreo do prédio da biblioteca
• Veja a rede atual abaixo

• Todas as LANs são Ethernet 10 Mbps
• Todos os prédios têm cabeamento Categoria 5 e wallplates em escritórios, salas de aula, laboratórios
  • Não estão sendo usados em alguns prédios
• Há uma fibra ótica multimodo correndo da biblioteca até o complexo esportivo e daí até o prédio de administração
• Usuários da Biblioteca e do prédio de administração acessam a Internet através de um enlace Frame Relay de 64 Kbps até a universidade estadual
• Os usuários de Matemática não esperaram ganhar acesso à Internet tão cedo e instalar sua própria solução (64 Kbps, Frame Relay) até um ISP
• A biblioteca possui um laboratório central de computação com 10 Macs, 25 PCs, um switch LAN para conectar hubs, estações, servidores, impressoras
  • O roteador age como firewall simples (filtro de pacotes)
  • O roteador não executa protocolo de roteamento
  • Cada andar da biblioteca tem 5 PCs para acessar a Internet e o acervo da biblioteca

Comunidades de usuários

• A tabela abaixo resume as comunidades de usuários
• Espera-se um crescimento devido à aquisição de novos PCs e Macs e devido aos notebooks dos alunos

Armazens de dados (servidores)

• A tabela abaixo mostra os servidores de dados identificados

Características de tráfego das aplicações

• Técnicas usadas para levantar as características do tráfego:
  • Analizador de protocolos
  • Entrevistas com os usuários
  • Tabela de Tamanho Típico de Objetos
  • Tabela de Overhead de Protocolos
• As seguintes aplicações não são sensíveis ao atraso
  • Tarefas escolares
  • E-mail
  • Nabegação Web
  • Acervo da biblioteca
  • Sistema acadêmico
• E-mail
  • Apesar do uso eventual de attachments, E-mail foi considerada uma aplicação de baixo consumo de banda passante
  • 80% do tráfego de E-mail de/para a Internet
  • Espera-se que o percentual caia para 60% depois que todos tiverem conta interna de E-mail
• Navegação Web
  • 2% do tráfego Web vem do o site da faculdade, o resto vem da Internet
  • No futuro, estima-se que 10% do tráfego será local
  • Estimativa de 60 Kbps de banda passante para usuários externos acessando o site da faculdade
• Sistema acadêmico tem demanda muito baixa de banda passante
  • Um único servidor Novell não cria problemas com broadcast SAP

Características de tráfego das aplicações novas e em expansão

• Modelagem climática e monitoração de telescópio
  • Essas aplicações estão sofrendo com o acesso lento à Internet
  • Um analizador de protocolos e entrevistas com os usuários sobre planos futuros levantaram os dados que aparecem na tabela de sumário, abaixo
• Upload de gráficos
  • Entrevistas com os usuários levantaram que não mais do que 1 arquivo por hora será transferido
  • Arquivos podem ser muito grandes (50 MB)
  • Usuários topam esperar de 5 a 10 minutos para a transferência completar
• Ensino à distância
  • Fluxo de vídeo assimétrico (direção entrando apenas) usando Real-Time Streaming Protocol (RTSP) e Real-Time Protocol (RTP)
  • Alunos da faculdade participam da aula via chat
  • Cada fluxo de vídeo usa 56 Kbps, no máximo, já que a universidade estadual supõe que alunos remotos estarão usando um modem para receber o fluxo (embora não se use modem na faculdade para receber o vídeo)
  • A faculdade vai limitar o número de usuários receptores de vídeo a 10, localizados no prédio de Matemática e Ciências
  • No futuro, o sistema vai usar multicast e, neste ocasião, a faculdade vai abrir o sistema para qualquer aluno no campus

Sumário das características de tráfego fluxos de tráfego

• A tabela abaixo (Características e Fluxos de Tráfego) reflete uso de pico

• De forma gráfica, podemos representar os fluxos de tráfego cruzando o campus como na figura abaixo

• Dentro do prédio da biblioteca, os fluxos são como segue:
  • Aplicação 1: 48 Kbps
  • Aplicação 2: 36 Kbps
  • Aplicação 3: 120 Kbps
  • Aplicação 4: 30 Kbps
  • Total: 234 Kbps
• Os fluxos de tráfego com a Internet são como segue:
  • Aplicação 2: 60 Kbps
  • Aplicação 3: 370 Kbps
  • Aplicação 5: 120 Kbps
  • Aplicação 6: 100 Kbps
  • Aplicação 7: 200 Kbps
  • Aplicação 8: 600 Kbps
  • Total: 1450 Kbps

O projeto de rede

• Analizando os requisitos, uma mesh hierárquica com enlaces redundantes entre prédios foi escolhida como topologia lógica

• Outras decisões tomadas:
  • A rede usa Ethernet com switches
    • Hubs seriam aceitáveis, em termos de banda passante, mas o switches serão melhores para escalabilidade e o custo é aceitável
  • Todos os dispositivos participam de um único domínio de broadcast (são pouco mais de 200 dispositivos)
  • Todos os dispositivos farão parte de uma mesma subrede IP usando o endereço de rede fornecido pela universidade estadual para a faculdade
    • Para PCs e Macs, os endereços IP são atribuídos com DHCP
    • Os servidores DHCP rodam nos servidores de arquivos/impressão Windows NT e no servidor Web
  • As switches executam o protocolo Spanning Tree
  • As switches são gerenciáveis com SNMP e suportam RMON
    • Um sistema de gerência de rede baseado em Windows (Cisco Works, por exemplo) será usado, desde que todos os equipamentos sejam comprados da Cisco
  • O roteador age como firewall simples (filtro de pacotes)
    • O roteador não executa protocolo de roteamento
• Com a topologia escolhida, a capacidade dos enlaces foi examinada para escolher a tecnologia de camada 2
  • O resultado (a topologia física) segue abaixo

• Vários switches foram examinados e escolheram-se switches de 24 e 48 portas
• Ainda sobre o projeto físico, as seguintes decisões foram tomadas:
  • Prédios serão conectados com Ethernet 100BaseFX, Full Duplex
    • Permite enlaces de até 2000 metros
    • 10BaseFL seria suficiente em termos de banda passante mas tem mais suporte a 100BaseFX nos switches do mercado e a banda passante permite crescer no futuro
  • Dentro dos prédios, switches Ethernet de 10 Mbps são usados
    • Com exceção dos 15 PCs nos andares 1-3 da biblioteca que usarão hubs de 10 Mbps já existentes
  • Todos os switches podem ser expandidos no futuro para terem um módulo de roteamento e implementar VLANs
    • Permitindo segmentar os domínios de broadcast no futuro quando tiver aplicações multimídia
  • Todos os switches suportam multicast IP (com IGMP) facilitando o suporte às futuras aplicações multimídia
  • O enlace WAN passa a ser uma LPCD E1 (1 Mbps)
    • A segunda conexão à Internet na Matemática será desligada
  • O roteador no Centro de Computação será substituído para suportar 2 portas 100BaseTX e uma porta E1
    • Uma fonte de alimentação redundante será adicionada ao roteador, já que ele é um ponto único de falha
    • (Em tempo: no dia que escrevi essas linhas, a fonte de alimentação do equipamento que conecta a UFPb à Internet tinha acabado de pifar!)
  • O cabeamento do campus usará uma topologia centralizada (em estrela)
    • Fibra ótica será puxada entre os prédios
    • Fibra multimodo padrão de 30 "strands" com núcleo de 62,5 microns com proteção plástica para uso interno/externo
    • O cabeamento aparece na figura abaixo

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