Enlace

Referência:

Slides extraídos do material dos professores Jim Kurose e Keith Ross relativos ao livro “Redes de Computadores e a Internet – Uma abordagem top-down”, segunda e terceira edições

Alterações nos slides, incluindo sequenciamento, textos, figuras e novos slides, foram realizadas conforme necessidade

Camada de enlace: definindo o contexto

fluxo real de PDUsRoteador R1

Roteador R4

Roteador R3Roteador R3Roteador R2

protocolode enlace

dois elementos físicos fisicamente conectados: host-roteador, roteador-roteador, host-host

unidade de dados: quadro (frame)

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica

redeenlacefísica

M

M

M

M

Ht

HtHn

HtHnHl MHtHnHl

quadroenlacefísico

protocolode enlace

placa adaptadora

Camada de enlace: definindo o contexto

Serviços da Camada de Enlace Enquadramento, acesso ao enlace:

encapsula datagramas em quadros, acrescentando cabeçalhos e trailer

implementa acesso ao canal se o meio é compartilhado

‘endereços físicos’ usados nos cabeçalhos dos quadros para identificar a fonte e o destino dos quadros

• diferente do endereço IP !

Entrega confiável entre dois equipamentos fisicamente conectados: já aprendemos como isto deve ser feito (transporte)! raramente usado em enlaces com baixa taxa de erro

(fibra, alguns tipos de par trançado) enlaces sem-fio (wireless): altas taxas de erro

• Q: porque prover confiabilidade fim-a-fim e na camada de enlace?

Serviços da Camada de Enlace (cont.) Controle de Fluxo:

limitação da transmissão entre transmissor e receptor

Detecção de Erros: erros causados pela atenuação do sinal e

por ruídos. o receptor detecta a presença de erros:

• avisa o transmissor para reenviar o quadro perdido

Correção de Erros: o receptor identifica e corrige o bit com

erro(s) sem recorrer à retransmissão

Implementação: Camada de Enlace

implementado no “adaptador” ex., placa PCMCIA, placa Ethernet tipicamente inclui: RAM, chips DSP,

interface com barramento do host, e interface do enlace

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica

redeenlacefísica

M

M

M

M

Ht

HtHn

HtHnHl MHtHnHl

quadroenlacefísico

protocolode enlace

placa adaptadora

Detecção de ErrosEDC = Bits de Detecção e Correção de Erros (redundancia)D = Dados protegidos pela verificação de erros, pode incluir os campos de cabeçalho

• A detecção de erros não é 100% confiável!• protocolos podem deixar passar alguns erros, mas é raro• Quanto maior o campo EDC melhor é a capacidade de detecção e correção de erros

Verificação de Redundância Cíclica

encara os bits de dados, D, como um número binário escolhe um padrão gerador de r+1 bits, G objetivo: escolher CRC bits, R, tal que

<D,R> é divisível de forma exata por G receptor conhece G, divide <D,R> por G. Se o resto é

diferente de zero: erro detectado! pode detectar todos os erros em seqüência (burst errors)

com comprimento menor que r+1 bits largamente usado na prática (ATM, HDCL, Ethernet)

padrão de bits

fórmulamatemática

bits de dados a enviar

Enlaces de Acesso Múltiplo e ProtocolosTrês tipos de enlaces: ponto-a-ponto (fio único, ex. PPP, SLIP) broadcast (fio ou meio compartilhado; ex,

Ethernet, Wavelan, etc.)

switched (ex., switched Ethernet, ATM etc)

Protocolos de Acesso Múltiplo canal de comunicação único e compartilhado duas ou mais transmissões pelos nós: interferência

apenas um nó pode transmitir com sucesso num dado instante de tempo

protocolo de múltiplo acesso: algoritmo distribuído que determina como as estações

compartilham o canal, isto é, determinam quando cada estação pode transmitir

comunicação sobre o compartilhamento do canal deve utilizar o própro canal!

o que procurar em protocolos de múltiplo acesso: • síncrono ou assíncrono • informação necessária sobre as outras estações • robustez (ex., em relação a erros do canal) • desempenho

Protocolos MAC (acesso ao meio): uma taxonomia

Três grandes classes: Particionamento de canal

dividem o canal em pedaços menores (compartimentos de tempo, freqüência)

aloca um pedaço para uso exclusivo de cada nó

Acesso Aleatório permite colisões “recuperação” das colisões

Passagem de Permissão compartilhamento estritamente coordenado para

evitar colisões

Objetivo: eficiente, justo, simples, descentralizado

Protocolos MAC com Particionamento de Canal: TDMA

TDMA: acesso múltiplo por divisão temporal acesso ao canal é feito por ”turnos" cada estação controla um compartimento (“slot”) de

tamanho fixo (tamanho = tempo de transmissão de pacote) em cada turno

compartimentos não usados são disperdiçados exemplo: rede local com 6 estações: 1,3,4 têm pacotes,

compartimentos 2,5,6 ficam vazios

TDM (Time Division Multiplexing): channel divided into N time slots, one per user; inefficient with low duty cycle users and at light load.

FDM (Frequency Division Multiplexing): frequency subdivided.

FDMA: acesso múltiplo por divisão de freqüência o espectro do canal é dividido em bandas de freqüência cada estação recebe uma banda de freqüência tempo de transmissão não usado nas bandas de freqüência

é disperdiçado exemplo: rede local com 6 estações: 1,3,4 têm pacotes, as

bandas de freqüência 2,5,6 ficam vazias

bandas

de f

reqüênci

a tempo

Protocolos MAC com Particionamento de Canal: FDMA

Particionamento de Canal (CDMA)CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Códigos)

um código único é atribuído a cada usuário (“chipping sequence”), isto é, o código define o particionamento

muito usado em canais broadcast, sem-fio (celular, satelite,etc)

todos os usuários usam a mesma freqüência, mas cada usuário tem a sua própria maneira de codificar os dados.

sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence) decodificação: produto interno do sinal codificado e da seqüência de

codificação (“chipping sequence”)

permite que múltiplos usuários “coexistam” e transmitam simultaneamente com mínima interferência

os códigos que minimizam a interferência são chamados “ortogonais”

Protocolos de Acesso Aleatório Quando o nó tem um pacote a enviar:

transmite com toda a taxa do canal R. não há uma regra de coordenação a priori entre os nós

dois ou mais nós transmitindo -> “colisão”, Protocolo MAC de acesso aleatório especifica:

como detectar colisões como as estações se recuperam das colisões (ex., via

retransmissões atrasadas)

Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório: slotted ALOHA ALOHA CSMA e CSMA/CD

CSMA: Carrier Sense Multiple Access

CSMA: escuta antes de transmitir: Se o canal parece vazio: transmite o pacote Se o canal está ocupado, adia a transmissão

CSMA Persistente: tenta outra vez imediatamente com probabilidade p quando o canal se torna livre (pode provocar instabilidade)

CSMA Não-persistente: tenta novamente após um intervalo aleatório

CSMA/CD (Detecção de Colisão)

CSMA/CD: detecção de portadora, deferência como no CSMA colisões detectadas num tempo mais curto transmissões com colisões são interrompidas,

reduzindo o disperdício do canal retransmissões persistentes ou não-persistentes

detecção de colisão: fácil em LANs cabeadas: medição da intensidade do

sinal, comparação dos sinais transmitidos e recebidos

difícl em LANs sem fio: receptor desligado enquanto transmitindo

Protocolos MAC com Passagem de Permissão Polling: nó mestre “convida”

os escravos a transmitirem um de cada vez

Mensagens Request to Send e Clear to Send

problemas: polling overhead latência ponto único de falha

(mestre)

Token passing: controla um token passado de

um nó a outro sequencialmente.

mensagem token problemas:

token overhead latência ponto único de falha (token)

Endereços de LAN e ARP

Endereços IP de 32-bit: endereços da camada de rede usados para levar o datagrama até a rede de

destino (lembre da definição de rede IP)

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

interface física a outra fisicamente conectada com a primeira (isto é, na mesma rede)

Endereços MAC com 48 bits (na maioria das LANs) gravado na memória fixa (ROM) do adaptador de rede

Endereços de LAN e ARPCada adaptador numa LAN tem um único endereço de LAN

Lembre a discussão anterior sobre roteamento

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

A

BE

Começando em A, dado que o datagrama está endereçado para B (endereço IP):

procure rede.endereço de B, encontre B em alguma rede, no caso igual à rede de A

camada de enlace envia datagrama para B dentro de um quadro da camada de enlace

endereçoMAC de B

end. MACde A

end. IPde A

end. IPde B

dados IP

datagramaquadro

endereço de origeme destino do quadro

endereço de origeme destino do pacote

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

Cada nó IP (Host, Roteador) numa LAN tem um módulo e uma tabela ARP

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

< endereço IP; endereço MAC; TTL> < ………………………….. >

TTL (Time To Live): tempo depois do qual o mapeamento de endereços será esquecido (tipicamente 20 min)

Questão: como determinaro endereço MAC de Bdado o endereço IP de B?

Protocolo ARP A conhece o endereço IP de B, quer aprender o

endereço físico de B A envia em broadcast um pacote ARP de

consulta contendo o endereço IP de B todas as máquinas na LAN recebem a

consulta ARP

B recebe o pacote ARP, responde a A com o seu (de B) endereço de camada física

A armazena os pares de endereço IP-físico até que a informação se torne obsoleta (esgota a temporização) soft state: informação que desaparece com

o tempo se não for re-atualizada

EthernetTecnologia de rede local “dominante” : barato R$30 por 100Mbps! primeira tecnologia de LAN largamente usada Mais simples, e mais barata que LANs com token e

ATM Velocidade crescente: 10, 100, 1000 Mbps

Esboço da Ethernetpor Bob Metcalf

Estrutura do Quadro Ethernet

Adaptador do transmissor encapsula o datagrama IP (ou outro pacote de protocolo da camada de rede) num quadro Ethernet

Preâmbulo: 7 bytes com padrão 10101010 seguido por um

byte com padrão 10101011 usado para sincronizar as taxas de relógio do

transmissor e do receptor

Estrutura do Quadro Ethernet (mais)

Endereços: 6 bytes, quadro é recebido por todos os adaptadores e descartado se o endereço do quadro não coincide com o endereço do adaptador

Tipo: indica o protocolo da camada superior, geralmente é o protocolo IP mas outros podem ser suportados tais como Novell IPX e AppleTalk)

CRC: verificado no receptor, se um erro é detectado, o quadro é simplesmente descartado.

10BaseT e 100BaseT

taxa de 10/100 Mbps; chamado mais tarde de “fast ethernet”

T significa “Twisted Pair” (par trançado) Os nós se conectam a um hub (ou switch) por um meio

físico em “par trançado”, portanto trata-se de uma “topologia em estrela”

CSMA/CD implementado no hub

10BaseT e 100BaseT (mais)

Máxima distância do nó ao hub é de 100 metros

Hub pode disconectar um adaptador que não para de transmitir (“jabbering adapter”)

Hub can coletar e monitorar informações e estatísticas para apresentação ao administradores da LAN

Ethernet Switches

Transmissão em camada 2 (quadros) com filtragem usando endereços de LAN

Switching: A-para-B a A’-para-B’ simultaneamente, sem colisões

grande número de interfaces muitas vezes: hosts individuais

são conectados em estrela no switch (1 host para cada porta) Ethernet, mas sem colisões!

Ethernet Switches

cut-through switching: o quadro é enviado da entrada para a saída sem esperar pela montagem do quadro inteiropequena redução da latência

combinações de interfaces de 10/100/1000 Mbps, dedicadas e compartilhadas

IEEE 802.11 Wireless LAN

wireless LANs: rede sem fio (frequentemente móvel)

padrão IEEE 802.11 : protocolo MAC espectro de freqüência livre: 900Mhz, 2.4Ghz

Basic Service Set (BSS) (igual a uma “célula”) contém:wireless hostsaccess point (AP):

estação base BSS’s se combinam para

formar um sistema distribuído (DS)

Redes Ad Hoc

Rede Ad hoc: estações IEEE 802.11 podem dinamicamente formar uma rede sem AP

Aplicações: “laptop” encontrando-se numa sala de

conferência, interconexão de equipamentos “pessoais” , rodovia inteligente

campo de batalha

IETF MANET (Mobile Ad hoc Networks) working group

Controle de Enlace Ponto-a-Ponto Um transmissor, um receptor, um link: mais

fácil que um enlace broadcast: não há Controle de Acesso ao Meio não há necessidade de endereçamento MAC

explícito ex., enlace discado, linha ISDN

protocolos ponto-a-ponto populares para camada de enlace: PPP (point-to-point protocol) HDLC: High level data link control (A camada

de enlace costumava ser considerada de alto nível na pilha de protocolos!)

PPP Formato do Quadro [RFC 1557] Flag: delimitador (enquadramento)

Endereço: não tem função (apenas uma opção futura)

Controle: não tem função; no futuro é possível ter múltiplos campos de controle

Protocolo: indica o protocolo da camada superior ao qual o conteúdo do quadro deve ser entregue (ex. PPP-LCP, IP, IPCP, etc.)

endereçocontrole

tamanhovariávelou ou

CRC

PPP Formato dos dados [RFC 1557] info: dados da camada superior sendo

transportados

CRC: verificação de redundância cíclica para detecção de erros

negociação de endereço da camada de rede: os pontos terminais do enlace podem aprender e configurar o endereço de rede de cada outro

endereçocontrole

tamanhovariávelou ou

CRC

Meios Físicos

• enlace físico: meio de

transmissão de sinais

físicos que representam

a informação

• meios guiados: os sinais se propagam me

meios sólidos com

caminho fixo: cobre, fibra

• meios não guiados: propagação livre: ex. rádio

Twisted Pair (TP)

dois fios de cobre

isolados

Categoria 3: taxas

de transmissão até

10 Mbps

Categoria 5 :

100Mbps ethernet

Meio Físico: coaxial, fibra

Cabo Coaxial:

núcleo de fio (portador

de sinal) dentro de uma

blindagem de fio (shield) bandabase: um único sinal

presente no cabo

broadband: multiplos

sinais no cabo

bidirecional

uso comum em redes de

10Mbs Ethernet

Cabo de fibra óptica:• fibra de vidro transportando

pulsos de luz• alta velocidade de operação:

– 100Mbps Ethernet– alta velocidade com transmissão

ponto-a-ponto (e.g., 5 Gps)

• baixa taxa de erros e imunidade a ruídos

Meio Físico: radio

sinal transportado como

campo eletromagnético

não há fios físicos

bidirecional

o ambiente afeta a

propagação:

reflexão

obstrução por objetos

interferência

Tipos de canais de rádio:• microwave

– canais de até 155 Mbps

• LAN (e.g., waveLAN)– 2Mbps, 11Mbps

• wide-area (e.g., celular)– e.g. CDPD, 10’s Kbps

• satélite– até 50Mbps por canal (ou vários

canais menores)– 270 ms de atrado fim-a-fim– geosynchronous versus LEOS