Backbone

No contexto de redes, Backbone signifique rede de transporte, e designa o esquema de ligações centrais de um sistema mais amplo, tipicamente de elevado desempenho.

As operadores de telecomunicações mantêm sistemas internos de elevadíssimo desempenho para comutar os diferentes tipos e fluxos de dados (voz, imagem, texto, etc). Na Internet, numa rede de escala planetária, podem-se encontrar, hierarquicamente divididos, vários backbones: os de ligação intercontinental, que derivam nos backbones internacionais, que por sua vez derivam nos backbones nacionais. Neste nível encontram-se, tipicamente, várias empresas que exploram o acesso à telecomunicação — são, portanto, consideradas a periferia do backbone nacional.

Em termos de composição, o backbone deve ser concebido com protocolos e interfaces apropriados ao débito que se pretende manter. Na periferia, desdobra-se o conceito de ponto de acesso, um por cada utilizador do sistema. É cada um dos pontos de acesso (vulgarmente referidos como POP’s) que irão impor a velocidade total do backbone. Por exemplo, se um operador deseja fornecer 10 linhas de 1 Mbit com garantia de qualidade de serviço, o backbone terá que ser, obrigatoriamente, superior a 10 Mbit (fora uma margem especial de tolerância).

Dos protocolos tipicamente utilizados destacaram-se o ATM e Frame Relay, e em termos de hardware, a fibra óptica e a comunicação sem fios, como transferências por microondas ou laser.

Atualmente, a principal tecnologia usada nas redes de transporte é a SONET / SDH , embora outras tecnologias, como a Carrier Ethernet, estejam a ser investigadas.

Ponto de Acesso: é um dispositivo em uma rede sem fio que realiza a interconexão entre todos os dispositivos móveis. Em geral se conecta a uma rede cabeada servindo de ponto de acesso para uma outra rede, como por exemplo a Internet. Pontos de acesso Wi-Fi estão se tornando populares. Muitos estabelecimentos comerciais que oferecem o acesso a internet através de um ponto de acesso como serviço ou cortesia aos clientes, tornando-se hotspots (é o nome dado ao local onde a tecnologia Wi-Fi está disponível. São encontrados geralmente em locais públicos como cafés, restaurantes, hotéis e aeroportos onde é possível conectar-se à Internet utilizando qualquer computador portátil que esteja preparado para se comunicar em uma rede sem fio do tipo Wi-Fi. O local onde se instala um hotspot deve ser cuidadosamente analisado, pois vários objetos podem agir como barreiras na comunicação sem fio) Também é prático pois a implantação de uma rede sem fio interligada por um ponto de acesso economiza o trabalho de instalar a infra-estrutura cabeada. Vários pontos de acesso podem trabalhar em conjunto para prover um acesso em uma área maior. Esta área é subdividida em áreas menores sendo cada uma delas coberta por um ponto de acesso, provendo acesso sem interrupções ao se movimentar entre as áreas através de roaming. Também pode ser formada uma rede ad hoc onde os dispositivos móveis passam a agir intermediando o acesso dos dispositivos mais distantes ao ponto de acesso caso ele não possa alcançá-lo diretamente. Estes pontos de acesso precisam implementar a segurança da comunicação entre eles e os dispositivos móveis que estão em contato. No caso do Wi-Fi, isso foi inicialmente tentado com o WEP que atualmente é comprometido facilmente. Surgiram então o WPA e o WPA2 que são considerados seguros caso seja utilizada uma senha.

Protocolo ATM: Asynchronous Transfer Mode, ou simplesmente ATM, é uma arquitetura de rede de alta velocidade orientada a conexão e baseada na comutação de pacotes de dados.

OBS: comutação de pacotes: é um paradigma de comunicação de dados em que pacotes (unidade de transferência de informação) são individualmente encaminhados entre nós da rede através de ligações de dados tipicamente partilhadas por outros nós. Este contrasta com o paradigma rival, a comutação de circuitos, que estabelece uma ligação virtual entre ambos nós para seu uso exclusivo durante a transmissão (mesmo quando não há nada a transmitir). A comutação de pacotes é utilizada para optimizar o uso da largura de banda da rede, minimizar a latência (i.e., o tempo que o pacote demora a atravessar a rede) e aumentar a robustez da comunicação. A comutação de pacotes é mais complexa, apresentando maior variação na qualidade de serviço, introduzindo jitter e atrasos vários; porém, utiliza melhor os recursos da rede, uma vez que são utilizadas técnicas de multiplexagem temporal estatística.   comutação por pacotes pode efetuar-se: * Com ligação (circuito virtual): é estabelecido um caminho virtual fixo (sem parâmetros fixos, como na comutação de circuitos) e todos os pacotes seguirão por esse caminho. Uma grande vantagem é que oferece a garantia de entrega dos pacotes, e de uma forma ordenada. Ex: ATM (comutação de células), Frame Relay e X.25; * Sem ligação (datagrama): os pacotes são encaminhados independentemente, oferecendo flexibilidade e robustez superiores, já que a rede pode reajustar-se mediante a quebra de um link de transmissão de dados. É necessário enviar-se sempre o endereço de origem. Ex: endereço IP.

O ATM surgiu em 1990 e é o nome dado a Asynchronous Transfer Mode [traduzido para português, Modo de Transferência Assíncrono (comutação e transmissão)]. Foi desenhado como um protocolo de comunicação de alta velocidade que não depende de nenhuma topologia de rede específica. Usa uma tecnologia de comutação de células de alta velocidade que pode tratar tanto dados como vídeo e áudio em tempo real.

Os protocolos dos ATM encapsula os dados em pacotes de tamanho fixo de 53 bytes (48 bytes de dados e 5 de cabeçalho). No ATM estes pacotes são denominados de células. Uma célula é análoga a um pacote de dados, à exceção que numa das células ATM nem sempre contém a informação de endereçamento de camada superior nem informação de controle de pacote. Este tipo de transmissão de dados é escalável, permitindo que as suas células de 53 bytes possam ser transportadas de uma LAN para outra através de uma WAN. A velocidade do ATM começa em 25 Mbps, 51 Mbps, 155 Mbps e superiores. Estas velocidades podem ser atingidas com cabeamento de cobre ou fibra óptica (com a utilização exclusiva de cabeamento em fibra óptica pode-se atingir até 622.08 Mbps).

Estas velocidades são possíveis porque o ATM foi desenhado para ser implementado por hardware em vez de software, sendo assim são conseguidas velocidades de processamento mais altas.

O ATM suporta dois tipos de interface: Rede-Utilizador (UNI) e Rede-Rede (NNI). Quando uma célula passa do utilizador para a rede ou da rede para o utilizador, ela transporta quatro bits, chamados GFC (Generic Flow Control), no entanto quando passa dentro de uma rede ou entre redes, o campo GFC não é usado para expandir o comprimento do campo VPI (Virtual Path Identifier).

O caminho virtual que representa um grupo de circuitos virtuais transportados ao longo do mesmo caminho é identificado pelo Virtual Path Identifier (VPI) que tem 8 bits e representa metade da ligação de identificação utilizada pelo ATM. Apesar de ter 8 bits de comprimento numa célula UNI, o campo expande para 12 bits de modo a preencher o campo GFC numa célula NNI.

O VCI (Virtual Channel Identifier) é a segunda metade das duas partes do identificador de ligação transportado no cabeçalho do ATM. Este campo de 16 bits identifica a ligação entre duas estações ATM, quando comunicam fim a fim. O Payload Type Identifier (PTI) indica o tipo de informação transportada na porção de 48 bytes de dados da célula ATM.

Protocolo Frame Relay: é uma eficiente tecnologia de comunicação de dados usada para transmitir de maneira rápida e barata a informação digital através de uma rede de dados, dividindo essas informações em frames (quadros) a um ou muitos destinos de um ou muitos end-points. Em 2006, a internet baseada em ATM e IP nativo começam, lentamente, a impelir o desuso do frame relay. Também o advento do VPN e de outros serviços de acesso dedicados como o Cable Modem e o dsl, aceleram a tendência de substituição do frame relay. Há, entretanto, muitas áreas rurais onde o DSL e o serviço de cable modem não estão disponíveis e a modalidade de comunicação de dados mais econômica muitas vezes é uma linha frame relay. Assim, uma rede de lojas de varejo, por exemplo, pode usar frame relay para conectar lojas rurais ou interioranas em sua WAN corporativa. (provavelmente com a adoção de uma VPN para segurança).

O frame-relay é uma técnica de comutação de quadros efetuada de maneira confiável, considerando as seguintes caractéristicas: Redes locais com um serviço orientado a conexão, operando no nivel 2 do modelo OSI, com baixo retardo e sem controle de erro nos nós.

No fim da década de 80 e início da década de 90, vários fatores combinados demandaram a transmissão de dados com velocidades mais altas como:

• a migração das interfaces de texto para interfaces gráficas
• O aumento do tráfego do tipo rajada (burst) nas aplicações de dados
• O aumento da capacidade de processamento dos equipamentos de usuário
• A popularização das redes locais e das aplicações cliente / servidor
• A disponibilidade de redes digitais de transmissão

Os projetistas do frame relay visaram um serviço de telecomunicação para a transmissão de dados de baixo custo-benefício para tráfego do tipo rajada (bursty) nas aplicações de dados entre redes locais (LAN) e entre end-points de uma WAN, a fim de atender a estes requisitos.

A conversão dos dados para o protocolo Frame Relay é feita pelos equipamentos de acesso ainda na LAN, geralmente um roteador. Os frames gerados são enviados aos equipamentos de rede, cuja função é basicamente transportar esse frames até o seu destino, usando os procedimentos de chaveamento ou roteamento próprios do protocolo. A rede Frame Relay é sempre representada por uma nuvem, já que ela não é uma simples conexão física entre 2 pontos distintos. A conexão entre esses pontos é feita através de um circuito virtual permanente(PVC) configurado com uma determinada banda. A alocação de banda física na rede é feita pacote a pacote, quando da transmissão dos dados, ao contrário do TDM em que existe uma alocação de banda fixa na rede, mesmo que não haja qualquer tráfego de dados.

O Frame Relay é um serviço de pacotes ideal para tráfego de dados IP, que organiza as informações em frames, ou seja, em pacotes de dados com endereço de destino definido, ao invés de coloca-los em slots fixos de tempo, como é o caso do TDM. Este procedimento permite ao protocolo implementar as características de multiplexação estatística e de compartilhamento de portas.

Considerando o modelo OSI para protocolos, o Frame Relay elimina todo o processamento da camada de rede (layer 3) do X.25. Apenas algumas funcionalidades básicas da camada de enlace de dados (layer 2) são implementadas, tais como a verificação de frames válidos, porém sem a solicitação de retransmissão em caso de erro. Desta forma, as funcionalidades implementadas nos protocolos de aplicação, tais como verificação de sequência de frames, o uso de frames de confirmações e supervisão, entre outras, não são duplicadas na rede Frame Relay. Isto permite um trafego de quadros (frames) ou pacotes em alta velocidade (até 1,984 Mbps), com um atraso mínimo e uma utilização eficiente da largura de banda.

Obs: Rede Privada Virtual é uma rede de comunicações privada normalmente utilizada por uma empresa ou um conjunto de empresas e/ou instituições, construída em cima de uma rede de comunicações pública (como por exemplo, a Internet). O tráfego de dados é levado pela rede pública utilizando protocolos padrão, não necessariamente seguros. VPNs seguras usam protocolos de criptografia por tunelamento que fornecem a confidencialidade, autenticação e integridade necessárias para garantir a privacidade das comunicações requeridas. Quando adequadamente implementados, estes protocolos podem assegurar comunicações seguras através de redes inseguras. Deve ser notado que a escolha, implementação e uso destes protocolos não é algo trivial, e várias soluções de VPN inseguras são distribuídas no mercado. Adverte-se os usuários para que investiguem com cuidado os produtos que fornecem VPNs. Por si só, o rótulo VPN é apenas uma ferramenta de marketing.

O Protocolo Frame Relay é um protocolo WAN de alta performance que opera nas camadas física e de enlace do modelo OSI. Esta tecnologia utiliza comutação por pacotes para promover a interface com outras redes através de dispositivos de borda (roteadores), compartilhando dinamicamente os meios de transmissão e a largura de banda disponíveis, de forma mais eficiente e flexível.

Protocolo Frame Relay, sendo descendente direto do X-25, utiliza-se das funcionalidades de multiplexação estatística e compartilhamento de portas, porém com a alta velocidade e baixo atraso (delay) dos circuitos TDM. Isto é possível pois o mesmo não utiliza o processamento da camada de rede (layer 3) do X.25. Isto exige redes confiáveis para a sua implementação eficiente, pois em caso de erro no meio de transmissão, ocorre um aumento significativo no número de retransmissões, pois a checagem de erros ocorre somente nas pontas.

O protocolo Frame Relay proporciona orientação a conexão em sua camada de trabalho (modelo OSI – Camada de Enlace de Dados ou camada 2).

O Frame Relay é baseada no uso de Circuitos Virtuais (VC). Um VC é um circuito de dados virtual bidirecional entre 2 portas quaisquer da rede, que funciona como se fosse um circuito dedicado. Existem 2 tipos de Circuitos Virtuais: O Permanent Virtual Circuit (PVC) e o Switched Virtual Circuit (SVC).

O PVC é um circuito virtual permanente configurado pelo operador na rede através de um sistema de Gerência de Rede, como sendo uma conexão permanente entre 2 pontos. A rota através dos equipamentos de rede pode ser alterada ao passo que ocorrem falhas ou reconfigurações, mas as portas de cada extremidade são mantidas fixas. Já o SVC é um circuito virtual comutado, que é disponibilizado na rede de forma automática,conforme a demanda, sendo utilizado principalmente por aplicações de Voz que estabelecem novas conexões a cada chamada.

O Frame Relay também possibilita a utilização de múltiplos canais lógicos em uma mesma linha de acesso, o que torna o mesmo ponto-multiponto. Isto significa que podemos, utilizando uma única linha dados em um ponto de concentração (cpd, por exemplo), acessar diversos pontos remotos. Cada ponto remoto é acessado através de um endereço lógico diferente, chamado DLCI.

Cada DLCI contem 2 cUs com 2 portas.

Outra característica interessante do Frame Relay é o CIR(Committed information rate). O Frame Relay é um protocolo de redes estatístico, voltado principalmente para o tráfego tipo rajada, em que a sua infra-estrutura é compartilhada pela operadora de telefonia e, conseqüentemente, tem um custo mais acessível do que uma linha privada. Isto significa que quando um usuário de serviços de telecomunicações contrata uma linha Frame Relay com 128 kb/s, não quer dizer que ele tenha alocado na rede da operadora esta banda todo o tempo, pois, já que a infra-estrutura é compartilhada, haverá momentos em que ocorrerá congestionamentos. No ato da assinatura do contrato com a operadora, o usuário escolhe uma taxa de CIR, que pode ser de 25%, 50%, a que o usuário escolher, e no momento do congestionamento, a operadora garante que terá disponível a banda correspondente ao CIR. Por exemplo, se um usuário tem um Frame Relay de 128 kb/s com um CIR de 50%, caso a rede não esteja congestionada o mesmo poderá realizar uma rajada de tráfego a até 128 kb/s. Porém, caso haja congestionamento, esta banda vai sendo automaticamente reduzida até o valor de CIR, podendo este usuário no pior caso trafegar a 64 kb/s, que corresponde a 50% de 128 kb/s. Quando maior o CIR, maior o custo da linha 2.

Obs: A transmissão de voz sobre o protocolo Frame Relay é conhecida como VFRAD.

 

Principais tecnologias usadas nas redes de transporte atualmente:

SONET (Synchronous optical networking, rede ótica síncrona) é um protocolo padronizado de multiplexação para redes de fibra ótica. É um protocolo de camada OSI 1;

SDH (Synchronous Digital Hierarchy) é um esquema de multiplexação TDM de banda larga.

A técnica SDH realiza multiplexação TDM determinística (ou síncrona). Sistema de transporte de informações em alta velocidade, muito utilizado para acessos à Internet em alta velocidade. Opera nas velocidades de: 155 Mbps, 622 Mbps, 2,5 Gbps, 10 Gbps e 40Gbps síncrona. Cada canal opera com um relógio sincronizado com os relógios dos outros canais, e é sincronizado com o equipamento multiplex através de um processo de justificação de bit e encapsulamento da informação (contentor). A esse contentor é adicionado um cabeçalho (POH), que o caracteriza e indica a sua localização na trama, e forma-se então um contentor virtual (VC – Virtual Container) para cada canal. O SDH pode transportar também os diferentes tipos de sinais PDH, através da trama padrão denominada STM-N (Syncronous Transport Module), utilizada tanto para sinais elétricos como para sinais ópticos. O SDH pode também multiplexar frames baseadas em transmissão de pacotes, como Ethernet e PPP.

Atualmente o padrão SDH utiliza tramas STM-N com as seguintes taxas de bits: 155.520 Mbit/s (STM-1 elétrico ou óptico), 622.080 Mbit/s (STM-4 óptico), 2488.320 Mbit/s ou 2,5 Gbit/s (STM-16 óptico) e 9953.280 Mbit/s ou 10 Gbit/s (STM-64 óptico). Os diversos canais multiplexados (VC’s) normalmente são chamados de tributários,e os sinais de transporte gerados (STM-N) são chamados de agregados ou sinais de linha. Os itens a seguir detalham as características mais relevantes da tecnologia SDH.

Sincronismo: As redes SDH formam um sistema síncrono onde todos os relógios de seus equipamentos têm, em média, a mesma frequência. O relógio de cada equipamento, chamado de relógio secundário ou escravo, pode ser rastreado até o relógio principal da rede, chamado também de mestre, garantindo a distribuição e qualidade do sinal de sincronismo. A manutenção de uma boa referência de relógio permite que os sinais STM-1 mantenham a sua taxa de 155 Mbit/s estável, e que vários sinais STM-1 síncronos possam ser multiplexados sem a necessidade de inserção de bits, sendo facilmente acessíveis em sinais STM-N de maior débito binário. Também os sinais síncronos de menor débito binário, encapsulados nos VC’s, podem ser multiplexados sem a necessidade de inserção de bits para compor os sinais STM-1, e podem ser facilmente acessados e recuperados. O uso de ponteiros em conjunto com buffers permite acomodar as eventuais diferenças de fase e frequência dos canais durante o processo de multiplexagem. Os ponteiros possuem campos específicos para armazenar os bits ou bytes em excesso ou para indicar a falta destes durante o processo de sincronismo (justificação). Os buffers permitem que esse processo ocorra sem a perda de informação, armazenando e mantendo o sinal original. Desta forma, é extremamente importante a qualidade e a manutenção do sinal de sincronismo para o sucesso da rede e dos serviços prestados a partir dela;

A Internet e consequentemente a sua rede de transporte não se sustentam num controle central nem em estruturas coordenadas, nem tampouco em qualquer tipo de política mundial de rede. A elasticidade e resiliência da Internet resulta de características da sua arquitetura, concretamente, na ideia de colocar o menor número possível de funções de estado e controle da rede nos elementos de rede, cujo oposto seria delegar nos pontos finais de comunicação a maior parte do processamento do tráfego, para garantir a integridade, confiabilidade e autenticidade de dados. Além disso, o maior grau de redundância das ligações das redes atuais e os protocolos sofisticados de tempo-real dão caminhos alternativos de comunicação que permitem o balanceamento de carga e evitam o congestionamento.

Fonte: Internet

2011 02 28