5: Camada de Enlace 5a-1 Camada de Enlace e Redes Locais

5: Camada de Enlace 5a-1

Camada de Enlace e Redes Locais


Camada de Enlace: IntroduçãoAlguma terminologia: hosts e roteadores são nós canais de comunicação que

conectam nós adjacentes ao longo de um caminho de comunicação são enlaces/link enlaces cabeados enlaces sem fio (não

cabeados) LANs

Pacote da camada 2 é um quadro/frame, encapsula datagramas

“link”

a camada de enlace é responsável por transferir os datagramas entre nós adjacentes através do enlace


Protocolos da Camada de Enlace


Comunicação entre Adaptadores

camada de enlace implementada no “adaptador” (NIC) placa Ethernet, cartão

PCMCIA, cartão 802.11 lado transmissor:

Encapsula o datagrama em um quadro

Adiciona bits de verificação de erro, transferência confiável de dados, controle de fluxo, etc.

Lado receptor verifica erros, transporte

confiável, controle de fluxo, etc.

extrai o datagrama, passa-o para o nó receptor

adaptador é semi-autônomo camadas de enlace e física

nótransm.

quadro

nóreceptor

datagrama

quadro

adaptador adaptador

Protocolo da camadade enlace


Enlaces e Protocolos de Acesso MúltiploTrês tipos de enlace: (a) Ponto-a-ponto (um cabo único) (b) Difusão (cabo ou meio

compartilhado; p.ex., Ethernet, rádio, etc.)

(c) Comutado (p.ex., E-net comutada, ATM, etc)

Começamos com enlaces com Difusão. Desafio principal: Protocolo de Múltiplo Acesso


Protocolos de Acesso Múltiplo

canal de comunicação único de difusão interferência: quando dois ou mais nós transmitem

simultaneamente colisão se um nó receber dois ou mais sinais ao mesmo

tempoProtocolo de acesso múltiplo algoritmo distribuído que determina como os nós

compartilham o canal, isto é, determina quando um nó pode transmitir

comunicação sobre o compartilhamento do canal deve usar o próprio canal!não há canal fora da faixa para coordenar a transmissão


Protocolos de Acesso Aleatório

Quando nó tem um pacote para transmitir transmite na taxa máxima R.nenhuma coordenação a priori entre os nós

dois ou mais nós transmitindo ➜ “colisão”, O protocolo MAC de acesso aleatório especifica:

como detectar colisões como se recuperar delas (através de retransmissões

retardadas, por exemplo) Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório:

slotted ALOHAALOHACSMA, CSMA/CD, CSMA/CA


CSMA (Carrier Sense Multiple Access – Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora)

CSMA: escuta antes de transmitir:Se o canal estiver livre: transmite todo o quadro Se o canal estiver ocupado, adia a transmissão

Analogia humana: não interrompa outros!


Colisões no CSMA

colisões ainda podem acontecer:atraso de propagação significa que dois nós podem não ouvira transmissão do outro colisão:todo o tempo de transmissão é desperdiçado

Disposição espacial dos nós

nota:papel da distância e atraso de propagação na determinação da probabilidade de colisão


CSMA/CD (Detecção de Colisões)

CSMA/CD: detecção da portadora, adia a transmissão como no CSMAAs colisões são detectadas em pouco tempoTransmissões que sofreram colisões são

abortadas, reduzindo o desperdício do canal Detecção de colisões:

Fácil em LANs cabeadas: mede a potência do sinal, compara o sinal recebido com o transmitido

Difícil em LANs sem fio: o receptor é desligado durante a transmissão

Analogia humana: bate papo educado!


Detecção de colisões em CSMA/CD


Tecnologias de LAN

Camada de enlace de dados até agora:serviços, detecção/correção de erros,

acesso múltiploA seguir: Tecnologias de rede local (LAN)

EndereçamentoEthernetHubs e switchesPPP


Endereços MAC e ARP

Endereço IP de 32 bits: Endereços da camada de redeusado para levar o datagrama à subrede IP

destino

Endereço MAC (ou LAN, ou físico, ou Ethernet): usado para levar o datagrama de uma

interface até outra interface conectada fisicamente (da mesma rede)

Endereço MAC de 48 bits (para a maioria das redes); queimado na ROM do adaptador


Endereços LAN e ARP

Cada adaptador na LAN possui um endereço LAN único

Endereço de Difusão =FF-FF-FF-FF-FF-FF

= adaptador

1A-2F-BB-76-09-AD

58-23-D7-FA-20-B0

0C-C4-11-6F-E3-98

71-65-F7-2B-08-53

LAN(cabeada orsem fio)


Endereço LAN (cont)

Alocação de endereços MAC administrada pelo IEEE Um fabricante compra uma parte do espaço de

endereços (para garantir unicidade) Analogia: (a) endereço MAC: como número do CPF (b) endereço IP: como endereço postal endereço MAC sem estrutura (flat)=> portabilidade

Pode mover um cartão LAN de uma LAN para outra endereço IP hierárquico NÃO é portátil (requer IP móvel)

Depende da subrede IP à qual o nó está conectado


ARP: Address Resolution Protocol (Protocolo de Resolução de Endereços)

Cada nó IP (Host, Roteador) de uma LAN possui tabela ARP

Tabela ARP: mapeamento de endereços IP/MAC para alguns nós da LAN

< endereço IP; endereço MAC; TTL> TTL (Time To Live): tempo

a partir do qual o mapeamento de endereços será esquecido (valor típico de 20 min)

Pergunta: como obter oendereço MAC de B a partir do endereço IP de B?

1A-2F-BB-76-09-AD

58-23-D7-FA-20-B0

0C-C4-11-6F-E3-98

71-65-F7-2B-08-53

LAN

237.196.7.23

237.196.7.78

237.196.7.14

237.196.7.88


Protocolo ARP: Mesma LAN (rede)

A deseja enviar datagrama para B, e o endereço MAC de B não está na tabela ARP.

A difunde o pacote de solicitação ARP, que contém o endereço IP de B Endereço MAC destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF todas as máquinas na

LAN recebem a consulta do ARP

B recebe o pacote ARP, responde a A com o seu (de B) endereço MAC Quadro enviado para o

endereço MAC (unicast) de A

Uma cache (salva) o par de endereços IP-para-MAC na sua tabela ARP até que a informação fique antiquada (expire) ‘soft state’: informação que

expira (vai embora) a menos que seja renovada

ARP é “plug-and-play”: os nós criam suas tabelas

ARP sem a intervenção do administrador da rede


Roteando um pacote para outra LAN

passo a passo: envio de datagrama de A para B via R assuma que A conhece o endereço IP de B

Duas tabelas ARP no roteador R, uma para cada rede IP (LAN)

In routing table at source Host, find router 111.111.111.110

In ARP table at source, find MAC address E6-E9-00-17-BB-4B, etc

A

RB


A cria datagrama com origem A, destino B A usa ARP para obter o endereço MAC de R para

111.111.111.110 A cria quadro da camada de enlace com o endereço MAC

de R como destino, quadro contém datagrama IP de A para B

O adaptador de A envia o quadro O adaptador de R recebe o quadro R remove o datagrama IP do quadro Ethernet, verifica que

é destinado para B R usa ARP para obter o endereço MAC de B R cria quadro contendo datagrama IP de A para B e o

envia para B

A

RB


Ethernet Muitíssimo difundida porque:

Muito barata! R$30 para placas 10/100Mbps!A mais antiga das tecnologias de rede localMais simples e menos cara que redes usando

ficha ou ATMAcompanhou o aumento de velocidade: 10

Mbps – 10 Gbps

Rascunho de Metcalfe sobre o Ethernet


Topologia em Estrela

Topologia de barramento popular até meados dos anos 90

Agora prevalência de topologia estrela Escolhas de conexão: hub ou switch (mais sobre isto

depois)

hub ouswitch


Estrutura de Quadro Ethernet

Adaptador remetente encapsula datagrama IP (ou pacote de outro protocolo da camada de rede) num Quadro Ethernet

Preâmbulo: 7 bytes com o padrão 10101010 seguidos por

um byte com o padrão 10101011 usado para sincronizar receptor ao relógio do

remetente (relógios nunca são exatos, é muito provável que exista algum desvio entre eles)


Estrutura de Quadro Ethernet (cont)

Endereços: 6 bytes para cada endereço MACse o adaptador recebe um quadro com

endereço destino igual ao seu, ou com endereço de difusão (ex., pacote ARP), ele passa os dados do quadro para o protocolo da camada de rede

caso contrário, o adaptador descarta o quadro

Tipo: indica o protocolo da camada superior, usualmente IP, mas existe suporte para outros (tais como IPX da Novell e AppleTalk)

CRC: verificado pelo receptor: se for detectado um erro, o quadro será descartado


Serviço não confiável e sem conexões

Sem conexões: Não há estabelecimento de conexão (saudação) entre os adaptadores transmissor e receptor.

Não confiável: o adaptador receptor não envia ACKs ou NACKs para o adaptador transmissor fluxo de datagramas passados para a camada de rede

pode conter falhas na seqüência falhas serão preenchidas se aplicação estiver usando o TCP caso contrário, a aplicação verá as falhas


Ethernet usa o CSMA/CD

Sem slots o adaptador não transmite

se perceber que algum outro adaptador está transmitindo, isto é, escuta antes de transmitir (carrier sense)

adaptador transmissor aborta quando percebe que outro adaptador está transmitindo, isto é, detecção de colisão

Antes de tentar uma retransmissão, o adaptador espera um tempo aleatório, isto é, acesso aleatório


10BaseT e 100BaseT Taxas de transmissão de 10 e 100 Mbps; esta última é

chamado de “fast ethernet” T significa Par Trançado (Twisted pair) Nós são conectados a um hub: “topologia estrela”;

distância máxima entre os nós e o hub de 100m.

par trançado

hub


HubsHubs são essencialmente repetidores de camada física:

bits vindos de um link são repetidos em todos os demais links na mesma taxa sem bufferização de quadros não há CSMA/CD no hub: os adaptadores detectam as colisões provê funcionalidade de gerenciamento da rede

par trançado

hub


Codificação de Manchester

Usado no 10BaseT Cada bit possui uma transição Permite que os relógios nos nós transmissor e receptor

entrem em sincronismo não há necessidade de um clock global, centralizado

Mas, isto é assunto para a camada física!


Gbit Ethernet

Usa formato padrão do quadro Ethernet Admite enlaces ponto-a-ponto e canais de

difusão compartilhados Em modo compartilhado, usa CSMA/CD; para

ser eficiente, as distâncias entre os nós devem ser curtas (poucos metros)

Os Hubs usados são chamados de Distribuidores com Buffers (“Buffered Distributors”)

Full-Duplex a 1 Gbps para enlaces ponto-a-ponto

Agora temos também 10 Gbps!


Interconexão com hubs

Hub no backbone interconecta segmentos de LAN Estende a distância máxima entre nós Mas os domínios de colisão de segmentos

individuais tornam-se um grande domínio de colisão Não dá para interligar 10Base T com 100BaseT

hub

hubhub

hub


Switch (comutador)

Dispositivo da camada de enlace armazena e retransmite quadros Ethernetexamina o cabeçalho do quadro e

seletivamente encaminha o quadro baseado no endereço MAC do destino

quando o quadro deve ser encaminhado num segmento, usa o CSMA/CD para acessá-lo

transparentehosts ignoram a presença dos switches

plug-and-play, self-learning (auto aprendizado)switches não necessitam ser configurados


Encaminhamento

• Como determina em que segmento de LAN deve encaminhar o quadro? • Parece um problema de roteamento...

hub

hubhub

switch1

2 3


Auto aprendizado

Um switch possui uma tabela de comutação entrada na tabela de comutação:

(Endereço MAC, Interface, Carimbo de tempo)entradas antigas na tabela são descartadas (TTL pode ser

de 60 min) switch aprende que hosts podem ser alcançados através de

quais interfacesquando um quadro é recebido, o switch “aprende” a

localização do transmissor: segmento de LAN de onde ele veio

registra o par transmissor/localização na tabela de comutação


Switch: isolamento de tráfego

Instalação do switch quebra a subrede em diversos segmentos de LAN

switch filtra os pacotes: quadros do mesmo segmento de LAN não são

normalmente encaminhados para os outros segmentos segmentos tornam-se domínios de colisão separados

hub hub hub

switch

domínio de colisãodomínio de colisão

domínio de colisão


Switches: acesso dedicado

Switch com diversas interfaces

Hosts têm conexão direta com o switch

Sem colisões; full duplex

Comutação: A-para-A’ e B-para-B’ simultaneamente, sem colisões

switch

A

A’

B

B’

C

C’


Rede Institucional/corporativa

hub

hubhub

switch

para a redeexterna

roteador

subrede IP

servidor de mail

servidor web


Switches vs. Roteadores ambos são dispositivos do tipo armazena-e-encaminha

roteadores: dispositivos da camada de rede (examinam os cabeçalhos da camada de rede)

switches são dispositivos da camada de enlace roteadores mantêm tabelas de roteamento, implementam

algoritmos de roteamento switches mantêm tabelas de comutação, implementam

filtragem, algoritmos de aprendizado

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