Redes ppgcc-2006-4 3

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Capítulo 4A Subcamada de Controle de Acesso ao Meio

4.3 Ethernet

Redes de computadores

PPGCC IBILCE (UNESP) – Turma 1

2006

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A subcamada de controle de acesso ao meio

4.3.1 Breve História da Ethernet

Surgiu em 1973

Bob Metcalfe (trabalhador e pesquisador da Xerox Corporation)

Rede Experimental

Cabo coaxial que operava a uma taxa de 3Mbps

Protocolo CSMA/CD (melhoria quanto ao ALOHANET)

• Atraiu a DEC e a Intel, que em conjunto com a Xerox formaram um consórcio:

– Desenvolvimento da primeira versão do Ethernet 10 Mbps

• Padrão IEEE 802.3 foi baseado nesta primeira versão do Ethernet

• Desde então vários “suplementos” foram adicionados:

– Melhor controle de acesso de rede, taxas mais altas de transferência, etc...

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Desenho do projeto de Bob Metcalfe (Arquitetura de uma rede Ethernet)


4.3.1 Breve História da Ethernet

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Nome Cabo Segmento Máximo

Nós/seg. Vantagens

10Base5 Coaxial Grosso

500m 100 Bom para backbones

10Base2 Coaxial Fino

200m 30 Mais econômico

10Base-T Par Trançado

100m 1024 Fácil manutençã

o

10Base-F Fibra Ótica 2000m 1024 Melhor entre

prédios

Tipos mais comuns de cabeamento Ethernet

OBS: O 10BaseT foi um esquema proposto para ser possível detectarcabos partidos, conectores defeituosos ou soltos


4.3.2 Cabeamento Ethernet

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Topologias

Cabeamentos

• Transceiver faz contato com o núcleo do cabo que detecta a portadora e colisões

• No 10Base5 a placa controladora trasmite e

recebe quadros do transceiver

• No 10Base2 o transceiver está na placa controladora

• No 10Base-T utiliza hubs (tampas de

pressão e conectores BNC não são permitidos)


4.3.2 Cabeamento Ethernet

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4.3.3 Codificação Manchester

• Identificar a diferença entre um bit 0 e um transmissor inativo

– Não é possível usar codificação binária direta, pois isso gera ambiguidades

• Na codificação usada, o período de bits dividido em 2 intervalos iguais. Segue dois padrões:

– Manchester:

• Bit 1 é enviado quando a voltagem é definida como alta no primeiro intervalo e baixa no segundo;

• Bit 0, o contrário;

– Manchester Diferencial:

• Bit 1 é indicado pela ausência de uma transição no primeiro intervalo;

• Bit 0, pela presença;

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O esquema diferencial requer equipamentos mais complexos, porém oferece maior imunidade à ruídos;

Todos os sistemas Ethernet utilizam a codificação Manchester devido a sua simplicidade


4.3.3 Codificação Manchester

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No IEE 802.3:

• Preâmbulo: sete vezes 10101010, na codificação Manchester, visando a sincronização entre receptor e transmissor;

• Início: (10101011) é a marca de início de quadro;

• Endereço Destino e Origem: endereço da estação receptora e transmissora;

• Tamanho dos Dados: quantidade de bytes transmitidos como Dados (máx. 1500 bytes);

• Preenchimento: usado quando necessário, para que um quadro tenho um tamanho mínimo de 64 bytes;

• Checksum: código de verificação de erros de 32 bits (CRC).

OBS: No DIX Ethernet, o campo Type especifica para qual processo entregar o quadro

Enquadramento a) DIX Ethernet b) IEEE 802.3


4.3.4 O Protocolo da Subcamada MAC Ethernet

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• Tamanho mínimo de um quadro é necessário para durar pelo menos 2T segundos e permitir a detecção de colisão antes do fim do quadro

• Para uma LAN de 10 Mbps com um comprimento máximo de 2500 metros e 4 repetidores (especificação do 802.3), o tempo de ida e volta (2T) (incluindo para propagar pelos 4 repetidores), foi determinado próximo de 50 useg no pior caso.

• Em um cabo Ethernet 10Mbps, 1 bit leva 100nseg para ser transmitido, assim 500 bits é o menor tamanho de quadro possível (Arredondado para 512 bits ou 64 bytes)

A subcamada de controle de acesso ao meio 4.3.4 O Protocolo da Subcamada MAC Ethernet

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• Usado para fazer o tratamento de colisão

– Determina o tempo aleatório quando ocorre uma colisão

• Depois da colisão, o tempo é dividido em fatias de tempo

– Quando atinge N=10, o intervalo se torna fixo

• Algoritmo é adaptativo à quantidade de colisões

• Assegura um pequeno retardo quando poucas estações colidem, mas também que as colisões serão resolvidas em um intervalo de tempo razoável quando muitas estações colidirem.

– Ex: se cada estação sempre esperasse por 0 e 1, e se 100 estações tentassem transmitir ao mesmo tempo, elas colidiriam repetidamente até que 99 delas escolhessem 0 e uma dela 1, ou vice-versa (poderia levar anos)

A subcamada de controle de acesso ao meio 4.3.5 O algoritmo de recuo binário exponencial

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A subcamada de controle de acesso ao meio 4.3.5 O algoritmo de recuo binário exponencial

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p = probabilidade de uma estação transmitir em um slot (disputado)

k = número de estações prontas para transmitir

A = kp(1-p)k-1 = probabilidade de alguma estação adquirir o canal naquele slot (apenas um das k estações transmitir)

• A é maximizado quando p=1/k, com A -> 1/e (~ 0.36787) quando k tende ao infinito.

• Intervalo de disputa: intervalo composto de j slots onde apenas uma estação consegue adquirir o canal em um determinado slot e nos outros (j-1) slots ninguem consegue adquirir o canal.

1/A = número médio de slots por intervalo de disputa

2T = duração do slot (ida e volta)

w=2T/A = duração média do intervalo de disputa

• OBS: Assumindo o valor ótimo de p, A -> 1/e quando k tende ao infinito, w nunca será maior do que 2Te ~ 5.4T

P = tempo que um quadro leva pra ser transmitido

P/(P + w) = Eficiência do canal


4.3.6 Desempenho da Ethernet

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• Em outros termos:

P = F/B

T = L/c

• Sendo:

F = comprimento do quadro

B = largura de banda da rede

L = comprimento do cabo

c = velocidade de prop. do sinal

Eficiência do canal (para w=2Te) = 1 / (1 + 2LeB/Fc)


4.3.6 Desempenho da Ethernet

Eficiência do Ethernet 10Mbpscom 2t = 51.2 useg

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• Quanto maior o comprimento do quadro (F) ou a velocidade de propagação do sinal (c) melhor a eficiência.

• Quanto maior o comprimento do cabo (L) ou a largura de banda (B) pior a eficiência.

– Quanto maior o comprimento do cabo, maior a duração do slot, logo, maior a duração média do intervalo de disputa

– Quanto maior a largura de banda, menor é o tempo de um quadro ser transmitido (P = F/B):

• Largura de banda não afeta na duração média do intervalo de disputa

– Se o aumento da largura de banda não estiver relacionado com a diminuição na velocidade de propagação do sinal

• Eficiência = P/(P+w) (denominador aumenta em relação ao numerador)

• Ethernet implementado assim não é a melhor forma de prover alta largura de banda em distâncias muito longas (através de fibras óticas, por exemplo)


4.3.6 Desempenho da Ethernet (conclusões)

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4.3.7 Ethernet Comutada

• Forma de tratar o crescimento do tráfego na rede:

– Substituir todas as interfaces de rede

– comutadores (switchs):

• segmenta a rede internamente

• não haverá colisão entre os pacotes de segmentos diferentes

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4.3.8 Fast Ethernet

• Idéia Básica:

– Manter o formato antigo de enquadramento e todas as regras, apenas reduzir o tempo de bit de 100 nseg para 10 nseg.

• Adotado em 1995 com o padrão IEEE 802.3u, estendendo a capacidade do Ethernet para 100Mbps

• Abandonou a utilização de cabo coaxial, sendo padronizada apenas em par trançado e fibra ótica

Nomenclatura Cabo Tamanho máx segmento

Vantagens

100Base-T4 Par trançado 100m Utiliza UTP Cat. 3

100Base-TX Par trançado 100m Full-duplex a 100Mbps

100Base-F Fibra Ótica 2000m Full-duplex, grandes

distâncias

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4.3.9 Gigabit Ethernet

• Começou a ser desenvolvida em 1997 pela IEEE

• Se ramificou em quatro padrões diferentes (1000baseLX, 1000baseSX, 1000baseCX e o 1000baseT)

• Suporta modo de transmissão:

• Full-Duplex: usado quando há Switch. Não usa CSMA/CD pois não há disputa pelo canal

• Tamanho máximo do cabo é determinado pela força do sinal, ao invés do tempo de propagação

• Half-Duplex: quando são conectados em hubs

• Tamanho máximo do cabo precisa ser 100 vezes menor que do Ethernet 10Mpbs. Considerado inaceitável, logo:

• Emissor transmitir uma seqüência concatenada de quadros em uma única transmissão. Se a carga for menor que 512 bytes, o hardware preenche. Segmentos até 200 metros.

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4.3.9 Gigabit Ethernet

OBS: Gigabit Ethernet suporta controle de fluxo, quando um emissor é mais veloz que o receptor na transmissão. Consiste em enviar um quadro para a outra máquina pedindo para parar a transmissão por um período de tempo.

OBS2: Para se conseguir 1Gbps em fibras, é necessário que a fonte de luz tenha ser ligada e desligada em até 1nseg. LED não consegue

operar tão rápido. Laser é utilizado

Nome Cabo Máx Segmento

1000Base-SX Fibra Ótica 550 m

1000Base-LX Fibra Ótica 5000 m

1000Base-CX 2 Pares de STP 25 m

1000Base-T 4 pares de UTP 100 m

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• Já foi falado, como conseguir comunicação confiável sobre uma linha não confiável usando vários protocolos de enlace (pare-e-espere, janela deslizante volta-n e janela deslizante com repetição seletiva)

• Estes protocolos provêem controle de erros (confirmação) e controle de fluxo (janela deslizante)

• Os padrões IEEE estudados até agora não falaram nada sobre comunicação confiável

– Todos os IEEE 802 oferecem um serviço de datagramas não confiável

• A LLC é responsável pela multiplexação, controle de erros, controle de fluxo

– Controle lógico do enlace para todos os protocolos MAC e a interface com a camada de rede

• O padrão LLC esconde as diferenças entre os vários padrões 802

A subcamada de controle de acesso ao meio 4.3.10 O padrão IEEE 802.2: LLC (Logical Link Control)

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• A multiplexação do acesso ao meio físico no nível de enlace é realizado através da definição de Ponto de Acesso à Servico (SAP)

• O LLC provê três opções de serviços de modo a satisfazer uma ampla gama de aplicações:

– O serviço de datagrama (sem conexão) não confiável (sem ack): provê uma ligação com a mínima complexidade do protocolo

– O serviço de datagrama (sem conexão) confiável (com ack): permite que os dados sejam trocados, com controle de erros e sem conexão

– O serviço confiável (com ack) orientado a conexões (ou circuito virtual): oferece entrega em ordem e controle de erros e de fluxo. Provê meios para o estabelecimento, uso, reinicio e encerramento de uma conexão;

• Para Internet, as tentativas de melhor-esforço para entregar um pacote IP são suficientes;

– Nenhum ACK no nível LLC é necessário

A subcamada de controle de acesso ao meio 4.3.10 O padrão IEEE 802.2: LLC (Logical Link Control)

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• Padronizada em 2002 com o IEEE 802.3ae;

• Características básicas:

– Exclui-se o algoritmo CSMA/CD do subnível MAC:

• Opera apenas ponto a ponto;

• Modo de transmissão é somente Full-Duplex;

– Cabeamento somente de fibra óptica;

• Grande Desvantagem:

– Somente ponto-a-ponto: Não possui tecnologia cliente/servidor, então ela tem usos bastante específicos, como em backbones.

• Atualmente a tecnologia já está implantada no projeto Internet2


4.3.11 10-Gigabit Ethernet

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4.3.12 Conclusões

• Ethernet é a tecnologia de LAN mais amplamente utilizada nas ultimas duas décadas:

– É simples, flexível, barato e fácil de manter

– Interage facilmente com o TCP/IP, que se tornou dominante (IP é um protocolo sem conexão)

• A maioria das instalações modernas de Ethernet usam switches Ethernet ao invés de hubs.

• Tipos diferentes de frame têm formatos e valores de MTU diferentes, mas podem coexistir no mesmo meio físico.

• A maioria das diferenças entre as variedades de Ethernet podem ser resumidas em variações de velocidade e cabeamento.

– Pilha do software de protocolo de rede vai funcionar de modo idêntico na maioria dos tipos de mídia Ethernet.

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