Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1ETI-15
Infra-Estrutura de Comunicaccedilatildeo
Moacutedulo 5
Paulo Gonccedilalves
2
Moacutedulo 5 ndash Camada Enlace
3
A Camada Enlace
Nossos objetivos
compreender os princiacutepios por traacutes dos serviccedilos
da camada enlace
detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
endereccedilamento na camada enlace
transferecircncia confiaacutevel de dados controle de fluxo jaacute
estudados
instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de vaacuterias
tecnologias da camada enlace
4
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
5
Camada Enlace Introduccedilatildeo
Algumas terminologias
hosts e roteadores satildeo noacutesnodos
canais de comunicaccedilatildeo que
interconectam noacutes adjacentes satildeo
links ou enlaces
enlaces cabeados
enlaces sem fio (wireless)
LANs
Um pacote da camada 2 se chama
frame ou quadro e encapsula um
datagrama
ldquolinkrdquo ou ldquoenlacerdquo
a camada enlace tem como responsabilidade
transferir um datagrama de um noacute a outro adjacente
atraveacutes de um link
6
Camada enlace contexto
Datagrama transferido por
diferentes protocolos da
camada enlace sobre links
diferentes
eg Ethernet no 1ordm link frame
relay em links intermediaacuterios
80211 no uacuteltimo link
Cada protocolo da camada
enlace provecirc diferentes tipos de
serviccedilos
eg pode ou natildeo prover rdt
sob um link
Analogia
Viagem de Recife para Lausana
limosine Recife para REC
aviatildeo REC para Genebra
trem Genebra para Lausana
turista = datagrama
segmento de transporte = link
de comunicaccedilatildeo
modo de transporte = protocolo
da camada enlace
agente de viagem = algoritmo
de roteamento
7
Serviccedilos da Camada Enlace
Framing acesso ao link
encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header
trailer
acesso ao canal se meio compartilhado
endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino
diferente de endereccedilos IP
Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes
Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)
raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra
alguns pares tranccedilados)
Links wireless altas taxas de erro
Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada
enlace ao mesmo tempo
8
Serviccedilos da Camada Enlace
Controle de Fluxo
Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber
Detecccedilatildeo de Erros
erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal
receptor detecta a presenccedila de erros
Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o
frame
Correccedilatildeo de Erro
receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees
Half-duplex e full-duplex
half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo
tempo
9
Adaptadores
Camada enlace implementada no
adaptador de rede (aka NIC)
Placas Ethernet IEEE 80211
(Wi-Fi)
Lado emissor
encapsula datagrama em um
quadro (frame)
adiciona bits para verificaccedilatildeo de
erro rdt controle de fluxo etc
Lado receptor
Procura por erros rdt controle de
fluxo etc
extrai datagrama passa-o para a
camada de rede do noacute receptor
Adaptador eacute semi-autocircnomo
Implementa camada fiacutesica e
enlace
noacute
emissor
frame
noacute
receptor
datagrama
frame
adaptador adaptador
protocolo da camada enlace
10
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
11
Detecccedilatildeo de Erro
EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)
D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de
cabeccedilalho (header)
bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel
bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro
bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo
12
Verificaccedilatildeo de Paridade
Bit de Paridade
UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado
Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit
0 0
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
2
Moacutedulo 5 ndash Camada Enlace
3
A Camada Enlace
Nossos objetivos
compreender os princiacutepios por traacutes dos serviccedilos
da camada enlace
detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
endereccedilamento na camada enlace
transferecircncia confiaacutevel de dados controle de fluxo jaacute
estudados
instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de vaacuterias
tecnologias da camada enlace
4
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
5
Camada Enlace Introduccedilatildeo
Algumas terminologias
hosts e roteadores satildeo noacutesnodos
canais de comunicaccedilatildeo que
interconectam noacutes adjacentes satildeo
links ou enlaces
enlaces cabeados
enlaces sem fio (wireless)
LANs
Um pacote da camada 2 se chama
frame ou quadro e encapsula um
datagrama
ldquolinkrdquo ou ldquoenlacerdquo
a camada enlace tem como responsabilidade
transferir um datagrama de um noacute a outro adjacente
atraveacutes de um link
6
Camada enlace contexto
Datagrama transferido por
diferentes protocolos da
camada enlace sobre links
diferentes
eg Ethernet no 1ordm link frame
relay em links intermediaacuterios
80211 no uacuteltimo link
Cada protocolo da camada
enlace provecirc diferentes tipos de
serviccedilos
eg pode ou natildeo prover rdt
sob um link
Analogia
Viagem de Recife para Lausana
limosine Recife para REC
aviatildeo REC para Genebra
trem Genebra para Lausana
turista = datagrama
segmento de transporte = link
de comunicaccedilatildeo
modo de transporte = protocolo
da camada enlace
agente de viagem = algoritmo
de roteamento
7
Serviccedilos da Camada Enlace
Framing acesso ao link
encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header
trailer
acesso ao canal se meio compartilhado
endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino
diferente de endereccedilos IP
Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes
Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)
raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra
alguns pares tranccedilados)
Links wireless altas taxas de erro
Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada
enlace ao mesmo tempo
8
Serviccedilos da Camada Enlace
Controle de Fluxo
Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber
Detecccedilatildeo de Erros
erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal
receptor detecta a presenccedila de erros
Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o
frame
Correccedilatildeo de Erro
receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees
Half-duplex e full-duplex
half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo
tempo
9
Adaptadores
Camada enlace implementada no
adaptador de rede (aka NIC)
Placas Ethernet IEEE 80211
(Wi-Fi)
Lado emissor
encapsula datagrama em um
quadro (frame)
adiciona bits para verificaccedilatildeo de
erro rdt controle de fluxo etc
Lado receptor
Procura por erros rdt controle de
fluxo etc
extrai datagrama passa-o para a
camada de rede do noacute receptor
Adaptador eacute semi-autocircnomo
Implementa camada fiacutesica e
enlace
noacute
emissor
frame
noacute
receptor
datagrama
frame
adaptador adaptador
protocolo da camada enlace
10
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
11
Detecccedilatildeo de Erro
EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)
D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de
cabeccedilalho (header)
bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel
bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro
bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo
12
Verificaccedilatildeo de Paridade
Bit de Paridade
UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado
Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit
0 0
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
3
A Camada Enlace
Nossos objetivos
compreender os princiacutepios por traacutes dos serviccedilos
da camada enlace
detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
endereccedilamento na camada enlace
transferecircncia confiaacutevel de dados controle de fluxo jaacute
estudados
instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de vaacuterias
tecnologias da camada enlace
4
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
5
Camada Enlace Introduccedilatildeo
Algumas terminologias
hosts e roteadores satildeo noacutesnodos
canais de comunicaccedilatildeo que
interconectam noacutes adjacentes satildeo
links ou enlaces
enlaces cabeados
enlaces sem fio (wireless)
LANs
Um pacote da camada 2 se chama
frame ou quadro e encapsula um
datagrama
ldquolinkrdquo ou ldquoenlacerdquo
a camada enlace tem como responsabilidade
transferir um datagrama de um noacute a outro adjacente
atraveacutes de um link
6
Camada enlace contexto
Datagrama transferido por
diferentes protocolos da
camada enlace sobre links
diferentes
eg Ethernet no 1ordm link frame
relay em links intermediaacuterios
80211 no uacuteltimo link
Cada protocolo da camada
enlace provecirc diferentes tipos de
serviccedilos
eg pode ou natildeo prover rdt
sob um link
Analogia
Viagem de Recife para Lausana
limosine Recife para REC
aviatildeo REC para Genebra
trem Genebra para Lausana
turista = datagrama
segmento de transporte = link
de comunicaccedilatildeo
modo de transporte = protocolo
da camada enlace
agente de viagem = algoritmo
de roteamento
7
Serviccedilos da Camada Enlace
Framing acesso ao link
encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header
trailer
acesso ao canal se meio compartilhado
endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino
diferente de endereccedilos IP
Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes
Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)
raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra
alguns pares tranccedilados)
Links wireless altas taxas de erro
Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada
enlace ao mesmo tempo
8
Serviccedilos da Camada Enlace
Controle de Fluxo
Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber
Detecccedilatildeo de Erros
erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal
receptor detecta a presenccedila de erros
Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o
frame
Correccedilatildeo de Erro
receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees
Half-duplex e full-duplex
half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo
tempo
9
Adaptadores
Camada enlace implementada no
adaptador de rede (aka NIC)
Placas Ethernet IEEE 80211
(Wi-Fi)
Lado emissor
encapsula datagrama em um
quadro (frame)
adiciona bits para verificaccedilatildeo de
erro rdt controle de fluxo etc
Lado receptor
Procura por erros rdt controle de
fluxo etc
extrai datagrama passa-o para a
camada de rede do noacute receptor
Adaptador eacute semi-autocircnomo
Implementa camada fiacutesica e
enlace
noacute
emissor
frame
noacute
receptor
datagrama
frame
adaptador adaptador
protocolo da camada enlace
10
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
11
Detecccedilatildeo de Erro
EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)
D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de
cabeccedilalho (header)
bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel
bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro
bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo
12
Verificaccedilatildeo de Paridade
Bit de Paridade
UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado
Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit
0 0
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
4
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
5
Camada Enlace Introduccedilatildeo
Algumas terminologias
hosts e roteadores satildeo noacutesnodos
canais de comunicaccedilatildeo que
interconectam noacutes adjacentes satildeo
links ou enlaces
enlaces cabeados
enlaces sem fio (wireless)
LANs
Um pacote da camada 2 se chama
frame ou quadro e encapsula um
datagrama
ldquolinkrdquo ou ldquoenlacerdquo
a camada enlace tem como responsabilidade
transferir um datagrama de um noacute a outro adjacente
atraveacutes de um link
6
Camada enlace contexto
Datagrama transferido por
diferentes protocolos da
camada enlace sobre links
diferentes
eg Ethernet no 1ordm link frame
relay em links intermediaacuterios
80211 no uacuteltimo link
Cada protocolo da camada
enlace provecirc diferentes tipos de
serviccedilos
eg pode ou natildeo prover rdt
sob um link
Analogia
Viagem de Recife para Lausana
limosine Recife para REC
aviatildeo REC para Genebra
trem Genebra para Lausana
turista = datagrama
segmento de transporte = link
de comunicaccedilatildeo
modo de transporte = protocolo
da camada enlace
agente de viagem = algoritmo
de roteamento
7
Serviccedilos da Camada Enlace
Framing acesso ao link
encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header
trailer
acesso ao canal se meio compartilhado
endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino
diferente de endereccedilos IP
Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes
Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)
raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra
alguns pares tranccedilados)
Links wireless altas taxas de erro
Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada
enlace ao mesmo tempo
8
Serviccedilos da Camada Enlace
Controle de Fluxo
Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber
Detecccedilatildeo de Erros
erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal
receptor detecta a presenccedila de erros
Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o
frame
Correccedilatildeo de Erro
receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees
Half-duplex e full-duplex
half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo
tempo
9
Adaptadores
Camada enlace implementada no
adaptador de rede (aka NIC)
Placas Ethernet IEEE 80211
(Wi-Fi)
Lado emissor
encapsula datagrama em um
quadro (frame)
adiciona bits para verificaccedilatildeo de
erro rdt controle de fluxo etc
Lado receptor
Procura por erros rdt controle de
fluxo etc
extrai datagrama passa-o para a
camada de rede do noacute receptor
Adaptador eacute semi-autocircnomo
Implementa camada fiacutesica e
enlace
noacute
emissor
frame
noacute
receptor
datagrama
frame
adaptador adaptador
protocolo da camada enlace
10
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
11
Detecccedilatildeo de Erro
EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)
D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de
cabeccedilalho (header)
bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel
bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro
bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo
12
Verificaccedilatildeo de Paridade
Bit de Paridade
UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado
Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit
0 0
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
5
Camada Enlace Introduccedilatildeo
Algumas terminologias
hosts e roteadores satildeo noacutesnodos
canais de comunicaccedilatildeo que
interconectam noacutes adjacentes satildeo
links ou enlaces
enlaces cabeados
enlaces sem fio (wireless)
LANs
Um pacote da camada 2 se chama
frame ou quadro e encapsula um
datagrama
ldquolinkrdquo ou ldquoenlacerdquo
a camada enlace tem como responsabilidade
transferir um datagrama de um noacute a outro adjacente
atraveacutes de um link
6
Camada enlace contexto
Datagrama transferido por
diferentes protocolos da
camada enlace sobre links
diferentes
eg Ethernet no 1ordm link frame
relay em links intermediaacuterios
80211 no uacuteltimo link
Cada protocolo da camada
enlace provecirc diferentes tipos de
serviccedilos
eg pode ou natildeo prover rdt
sob um link
Analogia
Viagem de Recife para Lausana
limosine Recife para REC
aviatildeo REC para Genebra
trem Genebra para Lausana
turista = datagrama
segmento de transporte = link
de comunicaccedilatildeo
modo de transporte = protocolo
da camada enlace
agente de viagem = algoritmo
de roteamento
7
Serviccedilos da Camada Enlace
Framing acesso ao link
encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header
trailer
acesso ao canal se meio compartilhado
endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino
diferente de endereccedilos IP
Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes
Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)
raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra
alguns pares tranccedilados)
Links wireless altas taxas de erro
Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada
enlace ao mesmo tempo
8
Serviccedilos da Camada Enlace
Controle de Fluxo
Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber
Detecccedilatildeo de Erros
erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal
receptor detecta a presenccedila de erros
Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o
frame
Correccedilatildeo de Erro
receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees
Half-duplex e full-duplex
half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo
tempo
9
Adaptadores
Camada enlace implementada no
adaptador de rede (aka NIC)
Placas Ethernet IEEE 80211
(Wi-Fi)
Lado emissor
encapsula datagrama em um
quadro (frame)
adiciona bits para verificaccedilatildeo de
erro rdt controle de fluxo etc
Lado receptor
Procura por erros rdt controle de
fluxo etc
extrai datagrama passa-o para a
camada de rede do noacute receptor
Adaptador eacute semi-autocircnomo
Implementa camada fiacutesica e
enlace
noacute
emissor
frame
noacute
receptor
datagrama
frame
adaptador adaptador
protocolo da camada enlace
10
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
11
Detecccedilatildeo de Erro
EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)
D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de
cabeccedilalho (header)
bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel
bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro
bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo
12
Verificaccedilatildeo de Paridade
Bit de Paridade
UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado
Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit
0 0
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
6
Camada enlace contexto
Datagrama transferido por
diferentes protocolos da
camada enlace sobre links
diferentes
eg Ethernet no 1ordm link frame
relay em links intermediaacuterios
80211 no uacuteltimo link
Cada protocolo da camada
enlace provecirc diferentes tipos de
serviccedilos
eg pode ou natildeo prover rdt
sob um link
Analogia
Viagem de Recife para Lausana
limosine Recife para REC
aviatildeo REC para Genebra
trem Genebra para Lausana
turista = datagrama
segmento de transporte = link
de comunicaccedilatildeo
modo de transporte = protocolo
da camada enlace
agente de viagem = algoritmo
de roteamento
7
Serviccedilos da Camada Enlace
Framing acesso ao link
encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header
trailer
acesso ao canal se meio compartilhado
endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino
diferente de endereccedilos IP
Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes
Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)
raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra
alguns pares tranccedilados)
Links wireless altas taxas de erro
Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada
enlace ao mesmo tempo
8
Serviccedilos da Camada Enlace
Controle de Fluxo
Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber
Detecccedilatildeo de Erros
erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal
receptor detecta a presenccedila de erros
Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o
frame
Correccedilatildeo de Erro
receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees
Half-duplex e full-duplex
half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo
tempo
9
Adaptadores
Camada enlace implementada no
adaptador de rede (aka NIC)
Placas Ethernet IEEE 80211
(Wi-Fi)
Lado emissor
encapsula datagrama em um
quadro (frame)
adiciona bits para verificaccedilatildeo de
erro rdt controle de fluxo etc
Lado receptor
Procura por erros rdt controle de
fluxo etc
extrai datagrama passa-o para a
camada de rede do noacute receptor
Adaptador eacute semi-autocircnomo
Implementa camada fiacutesica e
enlace
noacute
emissor
frame
noacute
receptor
datagrama
frame
adaptador adaptador
protocolo da camada enlace
10
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
11
Detecccedilatildeo de Erro
EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)
D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de
cabeccedilalho (header)
bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel
bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro
bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo
12
Verificaccedilatildeo de Paridade
Bit de Paridade
UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado
Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit
0 0
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
7
Serviccedilos da Camada Enlace
Framing acesso ao link
encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header
trailer
acesso ao canal se meio compartilhado
endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino
diferente de endereccedilos IP
Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes
Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)
raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra
alguns pares tranccedilados)
Links wireless altas taxas de erro
Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada
enlace ao mesmo tempo
8
Serviccedilos da Camada Enlace
Controle de Fluxo
Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber
Detecccedilatildeo de Erros
erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal
receptor detecta a presenccedila de erros
Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o
frame
Correccedilatildeo de Erro
receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees
Half-duplex e full-duplex
half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo
tempo
9
Adaptadores
Camada enlace implementada no
adaptador de rede (aka NIC)
Placas Ethernet IEEE 80211
(Wi-Fi)
Lado emissor
encapsula datagrama em um
quadro (frame)
adiciona bits para verificaccedilatildeo de
erro rdt controle de fluxo etc
Lado receptor
Procura por erros rdt controle de
fluxo etc
extrai datagrama passa-o para a
camada de rede do noacute receptor
Adaptador eacute semi-autocircnomo
Implementa camada fiacutesica e
enlace
noacute
emissor
frame
noacute
receptor
datagrama
frame
adaptador adaptador
protocolo da camada enlace
10
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
11
Detecccedilatildeo de Erro
EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)
D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de
cabeccedilalho (header)
bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel
bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro
bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo
12
Verificaccedilatildeo de Paridade
Bit de Paridade
UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado
Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit
0 0
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
8
Serviccedilos da Camada Enlace
Controle de Fluxo
Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber
Detecccedilatildeo de Erros
erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal
receptor detecta a presenccedila de erros
Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o
frame
Correccedilatildeo de Erro
receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees
Half-duplex e full-duplex
half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo
tempo
9
Adaptadores
Camada enlace implementada no
adaptador de rede (aka NIC)
Placas Ethernet IEEE 80211
(Wi-Fi)
Lado emissor
encapsula datagrama em um
quadro (frame)
adiciona bits para verificaccedilatildeo de
erro rdt controle de fluxo etc
Lado receptor
Procura por erros rdt controle de
fluxo etc
extrai datagrama passa-o para a
camada de rede do noacute receptor
Adaptador eacute semi-autocircnomo
Implementa camada fiacutesica e
enlace
noacute
emissor
frame
noacute
receptor
datagrama
frame
adaptador adaptador
protocolo da camada enlace
10
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
11
Detecccedilatildeo de Erro
EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)
D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de
cabeccedilalho (header)
bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel
bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro
bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo
12
Verificaccedilatildeo de Paridade
Bit de Paridade
UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado
Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit
0 0
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
9
Adaptadores
Camada enlace implementada no
adaptador de rede (aka NIC)
Placas Ethernet IEEE 80211
(Wi-Fi)
Lado emissor
encapsula datagrama em um
quadro (frame)
adiciona bits para verificaccedilatildeo de
erro rdt controle de fluxo etc
Lado receptor
Procura por erros rdt controle de
fluxo etc
extrai datagrama passa-o para a
camada de rede do noacute receptor
Adaptador eacute semi-autocircnomo
Implementa camada fiacutesica e
enlace
noacute
emissor
frame
noacute
receptor
datagrama
frame
adaptador adaptador
protocolo da camada enlace
10
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
11
Detecccedilatildeo de Erro
EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)
D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de
cabeccedilalho (header)
bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel
bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro
bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo
12
Verificaccedilatildeo de Paridade
Bit de Paridade
UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado
Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit
0 0
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
10
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
11
Detecccedilatildeo de Erro
EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)
D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de
cabeccedilalho (header)
bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel
bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro
bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo
12
Verificaccedilatildeo de Paridade
Bit de Paridade
UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado
Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit
0 0
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
11
Detecccedilatildeo de Erro
EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)
D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de
cabeccedilalho (header)
bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel
bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro
bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo
12
Verificaccedilatildeo de Paridade
Bit de Paridade
UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado
Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit
0 0
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
12
Verificaccedilatildeo de Paridade
Bit de Paridade
UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado
Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit
0 0
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
13
Internet checksum
Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos
como sequumlecircncia de nuacutemeros
inteiros de 16 bits
bull checksum adiccedilatildeo (soma
complemento 1) do conteuacutedo
do segmento
bull Emissor coloca o valor do
checksum no campo
checksum do UDP
Receptor
computa checksum do segmento
recebido
verifica se checksum computado eacute
igual ao informado no campo
checksum
NAtildeO - erro detectado
SIM - nenhum erro detectado
Mas erros podem natildeo ter sido
notados hellip
Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento
transmitido (nota usado na camada transporte somente)
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
14
Checksumming Cyclic
Redundancy Check (CRC)
Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio
escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G
objetivo escolha r CRC bits R tal que
ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)
Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de
zero erro detectado
Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits
Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
15
CRC (Exemplo)
R = remainder[ ]D2r
G
Deseja-se
D2r XOR R = nG
Equivale agrave
D2r = nG XOR R
e
se dividimos D2r por G
desejamos objeter o resto R
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
16
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
17
Enlaces e Protocolos de Acesso
MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo
Ponto-a-ponto (point-to-point)
PPP para acesso dial-up
Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host
broadcast (meio compartilhado)
Ethernet tradicional
upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
18
Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
Canal broadcast compartilhado uacutenico
2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia
Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo
Protocolo de acesso muacuteltiplo
Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o
canal ie determina quando o noacute pode transmitir
Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio
canal
Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de
transmissotildees
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
19
Protocolo de Acesso
Muacuteltiplo Ideal
Canal broadcast com taxa de R bps
1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R
2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode
transmitir a uma taxa meacutedia RM
3 Completamente descentralizado
Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees
Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots
4 Simples
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
20
Protocolos MAC taxonomia
3 classes
Particionamento de Canal
divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo
frequumlecircncia coacutedigo)
aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute
Acesso Randocircmico
canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees
Precisa tratar colisotildees
ldquoTaking turnsrdquo
Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez
para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo
maiores atrasos
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
21
Particionamento de Canal
TDMA
TDMA time division multiple access
bull Acesso ao canal ocorre em rounds
bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round
bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)
bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)
bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo
1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a
altas cargas
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
22
Particionamento de Canal
FDMA
FDMA frequency division multiple access
bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia
bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia
bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada
bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso
bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr
equency b
ands
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
23
Protocolos de Acesso
Randocircmico
Quando noacute possui pacote para enviar
Transmite a taxa maacutexima R do canal
Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes
2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo
Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam
Como detectar colisotildees
Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)
Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA CSMACD CSMACA
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
24
Slotted ALOHA
Hipoacuteteses
bull frames de mesmo tamanho
bull Tempo eacute dividido em slots de
mesmo tamanho tempo para
transmitir um quadro da
camada enlace
bull Noacutes iniciam transmissatildeo
somente no iniacutecio de um slot
bull Noacutes estatildeo sincronizados
bull se 2 ou mais noacutes transmitem
em um mesmo slot todos
detecam a colisatildeo
Funcionamento
bull Quando noacute obteacutem um novo
quadro da camada enlace para
transmitir ele o transmite no
proacuteximo slot
bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode
enviar novo quadro da camada
enlace no slot seguinte
bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite
quadro da camada enlace em
cada slot subsequumlente com
probabilidade p ateacute o sucesso
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
25
Slotted ALOHA
Proacutes
bull Um uacutenico noacute ativo pode
transmitir continuamente na
taxa maacutexima do canal
bull Altamente descentralizado
somente slots precisam estar
sincronizados
bull simples
Contras
bull colisotildees desperdiacutecio de slots
bull Slots livres
bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote
bull sincronizaccedilatildeo
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
26
Eficiecircncia do Slotted Aloha
Suponha N noacutes com muitos
quadros a serem enviados
cada noacute transmite em um
slot com probabilidade p
Probabilidade de que 1 noacute
tenha sucesso em um slot =
p(1-p)N-1
Probabilidade de que
qualquer noacute tenha sucesso =
Np(1-p)N-1
Para obter a eficiecircncia
maacutexima com N noacutes
encontre p que maximiza
Np(1-p)N-1
Quando haacute muitos noacutes o
limite de Np(1-p)N-1
quando N vai a infinito
indica uma eficiecircncia
maacutexima de 1e = 37
Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots
utilizados com sucesso a longo-prazo
quando haacute muitos noacutes cada qual com
muitos quadros a serem transmitidos
No melhor dos casos
Canal usado em transmissotildees
uacuteteis 37 do tempo
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
27
ALOHA Puro (unslotted)
unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo
Quando camada enlace possui quadros para transmitir
transmite-os imediatamente
Probabilidade de colisatildeo aumenta
Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
28
Aloha Puro Eficiecircncia
P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])
P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])
= p (1-p)N-1 (1-p)N-1
= p (1-p)2(N-1)
hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito
= 1(2e) = 18 Ainda pior
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
29
CSMA (Carrier Sense Multiple
Access)
CSMA escuta antes de transmitir
Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo
bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo
bull Analogia humana natildeo interrompa os outros
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
30
Colisotildees no CSMA
colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa
que dois noacutes podem natildeo ouvir a
transmissatildeo um do
colisatildeoTempo total de transmissatildeo do
pacote eacute desperdiccedilado
Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes
notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo
importantes para se determinar a
probabilidade de colisatildeo
espaccedilo
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
31
CSMACD (Collision Detection)
CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA
colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo
Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio
do canal
Detecccedilatildeo de colisatildeo
Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila
do sinal transmitido com o recebido
Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite
Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo
Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de
conversaccedilatildeo
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
32
CSMACD (collision detection)
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
33
Protocolo MAC
ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal
Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga
Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da
banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo
Protocolos MAC de Acesso Randocircmico
Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a
capacidade do canal
Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees
Protocolos ldquotaking turnsrdquo
Olham para o melhor de ambos os mundos
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
34
Polling
Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes
escravos a transmitirem e
convite segue uma ordem
ou sequumlecircncia
fraquezas
polling overhead
latecircncia
Ponto uacutenico de falha
(mestre)
Passagem de Token
Token de controle passado de um
noacute a outro sequencialmente
Mensagem token
fraquezas
token overhead
latecircncia
ponto uacutenico de falha (token)
Protocolo MAC
ldquoTaking Turnsrdquo
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
35
Resumo dos protocolos
MAC
O que fazer com um meio compartilhado
Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por
coacutedigo
Time Division Frequency Division
Particonamento Randocircmico (dinacircmico)
ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD
Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias
(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)
CSMACD usado no Ethernet
CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)
Taking Turns
polling feito por um coordenador passagem de token
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
36
Tecnologias de Redes
Locais (LAN)
O que vimos sobre a camada enlace
serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro
acesso muacuteltiplo
A seguir tecnologias de LANs
endereccedilamento
Ethernet
hubs switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
37
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
38
Endereccedilos MAC e
Protocolo ARP
Endereccedilos IP de 32 bits
Endereccedilo da camada de rede
Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino
Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)
Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra
fisicamente conectada (mesma rede)
Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)
gravado na memoacuteria ROM da placa de rede
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
39
Endereccedilos em LANs
e Protocolo ARP
Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um
endereccedilo MAC uacutenico
Endereccedilo broadcast =
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 ou
Sem fio)
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
40
Mais sobre endereccedilos MAC
alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE
Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que
endereccedilos natildeo sejam repetidos)
analogia
(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)
(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)
Endereccedilo MAC plano portabilidade
Pode mover placa de rede de uma LAN para outra
Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis
depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
41
ARP Address Resolution
Protocol
Cada noacute IP (Host Roteador)
na LAN possui uma tabela
ARP
Tabela ARP mapeamento de
endereccedilos para alguns noacutes da
LAN
lt end IP end MAC TTLgt
TTL (Time To Live) tempo
apoacutes o qual o mapeamento
de endereccedilo seraacute descartado
(tipicamente 20 min)
Q como determinar o endereccedilo
MAC de B conhecendo o endereccedilo
IP dele
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
237196723
237196778
237196714
237196788
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
42
Protocolo ARP na mesma
LANA deseja enviar datagrama para
B e o endereccedilo MAC de B natildeo
estaacute na tabela ARP de A
A envia em broadcast um pkt de
query ARP contendo o IP de B
Endereccedilo MAC de destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
Todas as maacutequinas na LAN
recebem o query ARP
B recebe o pacote ARP
reponde A com o seu (do B)
endereccedilo MAC
Quadro eacute enviado para o
endereccedilo MAC de A (unicast)
ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC
em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo
soft state informaccedilatildeo que
expira a menos que seja
renovada periodicamente
ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo
Noacutes criam suas proacuteprias
tabelas ARP sem intervenccedilatildeo
de administradores de rede
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
43
Roteamento para outra LAN
Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R
assuma que A conhece o IP de B
bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP
A
RB
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
44
A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B
A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110
A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como
endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B
O adaptador de A envia o quadro
O adapator de R recebe o quadro
R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo
de destino eacute para B
R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B
R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B
A
RB
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
45
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
46
Ethernet
Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas
bull barato - R$ 20 para 100Mbs
bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada
bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)
bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps
Esboccedilo do Ethernet
proposto por Robert
Metcalfe
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
47
Topologia Estrela
Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90
Atualmente topologia estrela prevalece
Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em
breve)
hub ou
switch
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
48
Estrutura do Quadro
Ethernet
Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro
pacote de protocolo da camada de rede) no quadro
Ethernet
Preamble
bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte
com padratildeo 10101011
bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do
emissor
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
49
5 DataLink Layer
Estrutura do Quadro
Ethernet (mais)
Addresses 6 bytes
Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com
endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o
protocolo da camada de redel
Caso contraacuterio adaptador descarta quadro
Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das
vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o
AppleTalk)
CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
50
Serviccedilo natildeo-confiaacutevel
e sem conexatildeo
Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e
receptor
Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao
adaptador emissor
Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter
lacunas
Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de
transporte
Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
51
Ethernet usa CSMACD
Sem slots
adaptador natildeo transmite se ele
escuta outro adaptador
transmitindo ou seja carrier
sense (escuta da portadora)
Adaptadores transmissores
abortam quando escutam outro
adaptador transmitindo ao
mesmo tempo ou seja collision
detection (CD)
Antes de tentar uma
retransmissatildeo o adaptador
espera um tempo
randocircmico ou seja acesso
randocircmico
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
52
Algoritmo CSMACD
do Ethernet
1 Adaptador recebe datagrama da
camada de rede amp cria quadro
2 Se adaptador escuta canal vazio
ele inicia a transmissatildeo do
quadro Se ele escuta o canal
ocupado aguarda ateacute o canal
ficar vazio e entatildeo transmite o
quadro
3 Se adaptador transmite quadro
completo sem detectar outra
transmissatildeo o adaptador
terminou de tratar o quadro
4 Se adaptador detecta alguma
outra transmissatildeo enquanto
estiver transmitindo ele aborta a
sua transmissatildeo e envia no canal
um sinal de ldquojamrdquo
5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila
backoff exponencial apoacutes a m-
eacutesima colisatildeo o adaptador
escolhe K randomicamente no
intervalo 012hellip2m-1
Adaptador espera K512 tempos
de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
53
Mais sobre o CSMACD
do Ethernet
Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de
que todos os outros
adaptadores estatildeo cientes da
colisatildeo 48 bits
Tempo de Bit 1 micros para Ethernet
10 Mbps
para K=1023 tempo de espera
eacute de aprox 50 ms
Backoff Exponencial
Objetivo adaptar tentativas de
retransmissatildeo agrave carga atual
estimada
Alta carga espera randocircmica
seraacute longa
Primeira colisatildeo escolhe K no
intervalo 01 atraso eacute K 512
tempos de transmissatildeo de bit
Apoacutes segunda colisatildeo escolhe
K no intervalo 0123hellip
Apoacutes dez colisotildees escolhe K
no intervalo 01234hellip1023
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
54
Eficiecircncia do CSMACD
Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na
LAN
ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho
maacuteximo
Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0
Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito
Muito melhor que ALOHA sendo ainda
descentralizado simples e barato
transprop tt 51
1efficiency
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
55
10BaseT e 100BaseT
Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps
T deriva de Par Tranccedilado
Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo
distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub
Par tranccedilado
hub
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
56
HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica
bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os
outros links
agrave mesma taxa
sem buferizaccedilatildeo de quadros
Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees
Par tranccedilado
hub
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
57
Codificaccedilatildeo Manchester
Usado no10BaseT
Cada bit possui uma transiccedilatildeo
Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam
sincronizados entre si
Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar
transiccedilotildees
Mas isto pertence agrave camada fiacutesica
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
58
Gbit Ethernet
usa o formato padratildeo do Ethernet
Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast
compartilhados
No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado
distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior
eficiecircncia
usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo
Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto
Jaacute temos 10 Gbps
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
59
Camada Enlace
51 Introduccedilatildeo e serviccedilos
52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo
de erro
53 Protocolos de Acesso
Muacuteltiplo
54 Endereccedilamento na
camada enlace
55 Ethernet
56 Hubs e switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
60
Interconexatildeo usando hubs
Backbone hub interconecta segmentos da LAN
Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes
A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os
segmentos
Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT
hub hubhub
hub
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
61
Switch
Dispositivo da camada enlace
Armazena e encaminha quadros Ethernet
examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente
com base no endereccedilo MAC de destino
Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa
CSMACD para acessar o segmento
transparente
hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches
plug-and-play self-learning
switches natildeo precisam ser configurados
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
62
Encaminhamento (Forwarding)
bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve
encaminhar um quadro
bull Parece um problema de roteamento hellip
hub hubhub
switch1
2 3
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
63
Self-learning
Um switch possui uma tabela de encaminhamento
Cada entrada na tabela eacute da forma
(End MAC Interface Timestamp)
Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de
60 min)
Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais
interfaces
Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do
emissor segmento de LAN entrante
Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
64
FilteringForwarding
Quando switch recebe um quadro
Procura endereccedilo MAC de destino na tabela
if entrada encontrada para este destino
then
if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou
then descartar quadro
else encaminhar quadro para a interface indicada
pelo mapeamento na tabela
else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto
pela qual o quadro chegou
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
65
Switch (exemplo)
Suponha que C envie quadro para D
Switch recebe quadro oriundo de C
C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1
Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as
interfaces 2 e 3
D recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
1
1
2
3
1
2 3
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
66
Switch (exemplo)
Suponha que D responda com um quadro para C
Switch recebe quadro de D
D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2
Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente
para a interface 1
C recebe quadro
hub hub hub
switch
A
B CD
E
FG H
I
endereccedilo interface
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
1
2 3
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
67
Switch isolamento de traacutefego
Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN
switch filtra pacotes
Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos
segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo
hub hubhub
switch
Domiacutenio de colisatildeo
Domiacutenio de colisatildeo
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
68
Switches acesso dedicado
Switch com diversas
interfaces
Hosts possuem conexatildeo
direta ao switch
Sem colisotildees full-duplex
Switching A-para-Arsquo e B-para-
Brsquo simultaneamente sem
colisotildees
switch
A
Arsquo
B
Brsquo
C
Crsquo
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
69
Mais sobre Switches
cut-through switching quadro encaminhado da porta de
entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do
quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)
reduccedilatildeo suave no atraso
combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de
101001000 Mbps
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
70
Rede Institucional
hub hubhub
switch
para a rede externa
ou Internet
roteador
Subrede IP
Servidor de email
Servidor web
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
71
Switches x Roteadores
Ambos satildeo dispositivos store-and-forward
roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos
da camada de rede)
switches satildeo dispositivos da camada enlace
roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam
algoritmos de roteamento
switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam
filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo
switch roteador
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
72
Sumaacuterio de comparaccedilotildees
hubs roteadores switches
isolamento
de traacutefego
natildeo sim sim
plug amp play sim natildeo sim
Roteamento
oacutetimo
natildeo sim natildeo
Cut
through
sim natildeo sim
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches
73
Parte 5 Sumaacuterio
princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace
Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro
Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo
Endereccedilamento na camada enlace
Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede
Ethernet
LANS com switches