Camada de Enlace de Dados Capítulo 3

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1 Camada de Enlace de Dados Capítulo 3
Obter uma linha de transmissão e oferecê-la livres de erros para o nível 3. Questões típicas: Quantos bits serão transmitidos de cada vez? (Definição dos quadros de dados) Como delimitar estes bits? Se um quadro foi destruído como corrigir? (Retransm.) Se o reconhecimento de um quadro for destruído como corrigir? (Lidar com duplicação de quadros) Como regular o tráfego se o tx é mais rápido que o rx? Como controlar o acesso a um canal compartilhado em redes de difusão? Nível Enlace

2 Papel do Nível Enlace Nível enlace – Fornece ao nível superior (Rede) a capacidade de pedir o estabelecimento ou liberação dos meios físicos associados ao Nível Físico. Permite comunicação eficiente e confiável entre dois computadores adjacentes, ou conectados por meio de um canal de comunicação que funciona conceitualmente como um fio (pode ser cabo coaxial, ou canal sem fio): os bits são entregues na ordem exata em que são enviados. Nível Enlace

3 3.1 - Quadro As unidades de informação transferidas chamam-se quadros. Cada protocolo tem um formato de quadro próprio. Relação entre pacotes (N3) e quadros (N2): Dividir um fluxo de bits em quadros: permitir que o receptor encontre o início de um quadro sem gastar muita banda para isto. Nível Enlace

4 3.1.1- Serviços fornecidos a camada de Rede
Fluxo de dados em um roteador. Nível Enlace

5 Serviços fornecidos a camada de Rede
Serviços oferecidos com freqüência pelo Nível 2: Serviço sem conexão e sem confirmação; Ex: Ethernet. Serviço sem conexão com confirmação; Ex: WiFi Serviço com conexão e confirmação. (Quando enlaces são longos, não confiáveis); Ex: Satélites C O N F I A B L D E Nível Enlace

6 Serviços oferecidos - 2 Controle de erro: Detecta e possivelmente corrige erros que possam ocorrer na troca de informações do Nível Físico. O nível de Rede é notificado de erros não recuperáveis. Tarefas importantes: gerência de timers e número de seqüência de quadro; Controle de fluxo: manter regras bem definidas sobre quando o transmissor pode enviar o quadro seguinte. Controla a taxa de transferência na interface com o Nível de Rede. Ex: smartphone pede página a servidor Web potente Nível Enlace

7 3.2 - Detecção e Correção de Erros
Há 2 estratégias para tratar erros: Incluir informação redundante em cada bloco de dados para que o receptor possa deduzir quais devem ter sido os dados transmitidos – código de correção de erros ou correção adiantada de erros (FEC-Forward Error Correction). Em canais que geram muitos erros, é melhor a correção (Ex: wireless). Incluir redundância suficiente apenas para permitir que o receptor deduza que houve um erro, mas sem identificar qual, solicite uma retransmissão – código de detecção de erros. Em canais altamente confiáveis basta detectar o erro (Ex: fibra); Nível Enlace

8 Detecção de Erros Paridade: Um único bit é acrescentado. O valor do bit é escolhido de modo que o número de bits 1 na palavra de código seja par (ou ímpar). Ex: para enviar com paridade par, enviar Detecta erros de um único bit; inconveniente para erros de rajada (que são comuns). Checksum: baseado na soma acumulada dos bits de dados da mensagem. Colocado no fim como complemento da soma. Ao receber a mensagem a soma dos dados + checksum deve ser 0 (RFC 791 define checksum do IP). CRC (Cyclic Redundancy Check) método de detecção de erros mais forte que os anteriores, muito difundido. Nível Enlace

9 CRC (Cyclic Redundancy Check)
É acrescentada à mensagem, um código de 2 bytes montado a partir de uma combinação polinomial de dados que compõem o quadro. O código é transmitido junto ao quadro. O recebedor confere o CRC, realizando a mesma combinação polinomial e comparando o CRC obtido com o CRC recebido. Em caso de erro se solicita uma retransmissão do quadro. O polinômio gerador G(x) de grau r é combinado com antecedência. Opera-se sobre o quadro encarado como um polinômio M(x) de grau m. Nível Enlace

10 Divisão de Polinômios Exemplo:
No caso do número binário, considera-se o coeficiente sempre 0 ou 1. Ex: o polinômio correspondente a é x4+x1+1. Se escolhermos este polinômio como G(x), r = 4. Seja a mensagem M(x)= O polinômio a operar com G(x) será xrM(x) ou Divida este polinômio por G(x), obtenha o resto R(x). Nível Enlace

11 CRC (Cyclic Redundancy Check)
R(x) = 10, Compl 2=10 Subtraia o resto R(x) do polinômio estendido (subtração de módulo 2) e transmita. Nível Enlace 11

12 Protocolos Básicos Uma implementação comum:
na NIC (Network Interface Card) funcionam o processo da camada física e parte da camada de enlace. O restante da camada de enlace e rede são parte do SO. Nível Enlace

13 Protocolo Básico – exemplo (1)
Nível Enlace

14 Protocolo Básico – exemplo (2)
Nível Enlace

15 Protocolos de Janela Deslizante
Para transmitir nos dois sentidos, num mesmo canal é possível que a confirmação de uma transmissão seja enviado em um campo Ack de carona no quadro de dados do outro sentido (Piggybacking). E se outro lado não transmitir nada, como confirmar? Manter timeouts para enviar confirmação sem carona. Manter um número de sequencia nos quadros variando de 0 a um número máximo. Em qualquer instante o transmissor mantém um conjunto de números de sequencia que pode enviar (Janela de Transmissão); deve manter em memória para eventualidade da retransmissão. O receptor mantém conjunto que está apto a aceitar (Janela de recepção). Nível Enlace

16 Janela Deslizante de Tamanho 1
Número de sequência de 3 bits. (a) Inicialmente não há qdrs pendentes. (b) Após o envio do primeiro quadro. (c) Após receber o primeiro quadro; (d) Após receber primeiro reconhecimento. Nível Enlace

17 Estratégia go-back-n (Janela Rx tam 1)
Paralelismo e recuperação de erros. Efeito do erro quando o tamanho da janela do receptor é unitário (1). Desperdiça grande quantidade de largura de banda se a taxa de erros for alta. Nível Enlace

18 Estratégia Retransmissão Seletiva (Janela Rx >1)
Paralelismo e recuperação de erros. Efeito do erro quando o tamanho da janela do receptor é grande. Aproveita melhor a largura de banda porém requer mais espaço nos buffers da camada de enlace. Nível Enlace

19 Utilização do enlace <= Janela
Capacidade do canal Quantos quadros cabem no canal? Produto Largura de Banda-atraso (BD): largura da banda em bits/s vezes o tempo de trânsito (s); Para enviar o máximo de quadros, o buffer do receptor deveria ser capaz de conter todos os quadros enviados até a chegada da confirmação de volta ao transmissor. Janela > 2BD + 1. O “+1” é porque um quadro de confirmação não será enviado antes que um quadro completo seja recebido. Utilização do enlace: fração do tempo que em que o transmissor não está bloqueado: Utilização do enlace <= Janela (2BD+1) Nível Enlace 19

20 Exemplos de protocolos de Enlace
A infraestrutura de rede de longa distância na Internet é montada a partir de linhas ponto-a-ponto, há 2 situações comuns de uso na Internet que utilizam o protocolo de enlace chamado PPP – Point-to-Point Protocol. : Sobre fibra (SONET – Synchronous Optical Network) conectam roteadores do ISP: PPP manipula o quadro para permitir sincronização física Nos enlaces ADSL no circuito terminal da rede telefônica. Nível Enlace

21 Sub-Camada de Controle de Acesso ao Meio – Capítulo 4
Em redes de difusão, normalmente utilizadas em LANs, é necessário determinar quem tem direito de usar o canal quando há uma disputa por ele. A subcamada da Camada de Enlace que cuida desta tarefa é chamada de subcamada MAC (Medium Access Control). Nível Enlace

22 Alocação Estática de canais
Que tal alocar o único canal para usuários concorrentes de forma estática? FDM (Frequency Division Multiplexing): Dividir a largura de banda em N partes. Com N usuários, dar uma parte da banda para cada um; Se houver menos de N usuários há desperdício de banda – se houver mais de N usuários, alguns terão acesso negado. TDM (Time Division Multiplexing): Cada usuário recebe o N-ésimo slot de tempo; Se o usuário não empregar o slot alocado, este será desperdiçado. Nenhum dos métodos estáticos tradicionais de alocação de canais funciona bem com tráfego de rajadas. Nível Enlace

23 Alocação Dinâmica de canais
Premissas fundamentais para formular problema de alocação: Tráfego Independente: Há N estações independentes que geram quadros para transmissão. Seja λ a taxa de chegada de novos quadros. Supor que a aleatoriedade da chegada segue uma distribuição exponencial (Poisson) torna o problema tratável embora não exato; modelar o tráfego é um difícil problema de pesquisa. Canal Único: Todas as estações podem transmitir e receber por um único canal; Colisão: Dois quadros transmitidos simultaneamente se sobrepõem no tempo, e o sinal resultante é adulterado. Os quadros que sofreram colisões devem ser retransmitidos; Nível Enlace

24 Alocação Dinâmica de canais
Premissas fundamentais para formular problema de alocação: Tempo: Contínuo – tx começa a qualquer instante Segmentado – tx começam no início de um slot (Tempo dividido em intervalos discretos); Detecção de portadora: As estações podem ou não detectar se o canal está sendo usado. Estas premissas estão envolvidas nos métodos de alocação de canais, dos quais veremos apenas dois: CSMA/CD e CSMA/CA. Nível Enlace

25 CSMA / CD - Apresentação
CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. Comparação: Um jantar em uma sala escura. As pessoas ao redor da mesa devem escutar, aguardando um período de silêncio, antes de falar (Carrier Sense). Quando há espaço, qualquer pessoa tem chance igual de falar (Multiple Access). Se duas pessoas falarem ao mesmo tempo, detectam o fato (Collision Detection) e param de falar. Quando uma estação detecta uma colisão e interrompe a transmissão, deve esperar um tempo aleatório para tentar retransmitir o pacote. Nível Enlace

26 CSMA / CD O CSMA/CD pode estar em um destes tres estados: disputa, transmissão ou inatividade. As colisões podem ser detectadas verificando-se a potência e a largura do pulso do sinal recebido e comparando-o com o sinal transmitido. Nível Enlace

27 IEEE 802 O IEEE padronizou várias redes locais e metropolitanas com o nome de IEEE 802. Alguns sobreviveram, outros não. Difícil prever: Entre os sobreviventes: 802.3 (Ethernet), (WiFi). (Bluetooth) (WiMax). Nível Enlace

28 Alguns padrões 802 A interface com a camada de rede é a mesma, definida pela subcamada de Enlace Lógico: LLC – Logical Link Control As camadas física e MAC diferenciam-se. Nível Enlace

29 Ethernet Clássica A LAN mais popular. A história começa no Havaí da necessidade de conectar ilhas remotas. A experiência foi feita com rádio de ondas curtas (ALOHANET).Bob Metcalfe passou o verão no Havaí... Após o verão, já trabalhando na Xerox, nasceu o sistema Ethernet; 1978: DIX - criado pela DEC, Intel e Xerox. 1983: tornou-se o padrão IEEE Metcalfe formou a 3Com e vendeu mais de de adaptadores para PCs. Nível Enlace

30 802.3 – O quadro Endereço Ethernet – (MAC address) – contém 6 bytes:
Os 3 primeiros atribuídos pela IEEE às organizações que constroem interfaces Ethernet; Os 3 últimos bytes são atribuídos pela organização. Exemplo: 06-0A BC-24 O primeiro bit é 0 para endereços comuns e 1 para endereços de grupos (Multicast). Endereço com todos os bits em 1 são recebidos por todas as estações (Broadcast). Nível Enlace

31 802.3 – O quadro (1) Formato do quadro (a) Formato Ethernet (DIX) (b) Formato (as 2 maneiras podem ser usadas pois muito difundidas) Preâmbulo: 7 bytes – sinalização de ocupação do meio. Permite sincronização entre clock do receptor e do transmissor (a nível de bit). IdQ (Início de quadro) – 1 byte para sincronismo a nível de quadro. Nível Enlace

32 802.3 – O quadro (2) Felizmente, todos os valores do campo tipo usados até 1997, eram maiores que 1500, o tamanho máximo do quadro, e assim, IEEE padronizou que se o campo contiver um número menor ou igual a 0x600 (1536) bytes é interpretado como tamanho Checksum é o CRC já estudado Nível Enlace

33 Colisão Há um comprimento mínimo de quadro Nível Enlace

34 802-3 –Recuo Binário Exponencial
O tempo é dividido em slots discretos de tamanho igual ao pior tempo de propagação de viagem de ida e volta (2t). Depois da primeira colisão, cada estação espera 0 ou 1 slot antes de tentar novamente. Depois da segunda colisão, cada estação espera 0,1,2 ou 3 tempos de slot. Se ocorrer uma terceira colisão (cuja probabilidade é 0,25), na próxima vez o número de slots que deverá esperar é escolhido ao acaso entre 0 e 23-1. Após i colisões, é escolhido um número aleatório entre 0 e 2i-1. Acontece um congelamento em 1023 após 10 colisões. Nível Enlace

35 Ethernet Comutada Hub – equivalente a um cabo longo: quanto mais máquinas ligadas menor a banda recebida; Switch: melhora o desempenho: Se 2 estações querem transmitir ao mesmo tempo, o quadro é armazenado na porta do switch, e após totalmente recebido é encaminhado ao destino. Assim várias estações podem transmitir simultaneamente sem a ocorrência de colisões. Hubs estão em extinção... Nível Enlace

36 O Switch Possui backplane de alta velocidade.
Realiza processamento do cabeçalho de enlace para identificar para qual porta encaminhar o quadro; Se full-duplex, CSMA/CD não é necessário. Se ligado a hub, recebe o quadro que ganhou a disputa CSMA/CD no domínio do hub. Conveniente para segurança. Nível Enlace

37 Fast Ethernet – 802.3u Decisão IEEE: Manter o apenas tornando-o mais rápido. Motivação: Manter o cabeamento existente – compatibilidade com as redes existentes; Medo de protocolo novo trazer problemas inesperados; Manter o emprego. Assim, mantém o formato dos pacotes, interfaces, regras e reduz o tempo do bit. Nível Enlace

38 802.3u – Cabeamento Diferentes padronizações visavam disponibilizar o protocolo nos mais variados ambientes existentes. Cabeamento para Fast Ethernet : Para garantir que CSMA/CD continue funcionando, deve se manter uma relação entre tamanho mínimo do quadro e tamanho máximo do cabo. Opção: diminuir tamanho do cabo. No caso da fibra não admitir hub. Nível Enlace

39 Fast Ethernet - Autonegociação
Para não abandonar as placas existentes de 10Mbps, o switch adotou mecanismo de autonegociação que permite que duas estações negociem automaticamente a velocidade ideal ou o tipo de duplex => Switches 10/100. O comum hoje é o switch 10/100/1000. Nível Enlace

40 GigabitEthernet Objetivo: tornar a Ethernet 10 vezes mais rápida, mantendo a compatibilidade retroativa com os padrões Ethernet existentes. A padronização mais popular foi chamada IEEE 802.3ab Configurações ponto-a-ponto e não multiponto como no padrão original. Nível Enlace

41 Quem usaria hubs em rede gigabit?
802.3ab – Modos de Operação Full-duplex: o modo normal – um switch central conectado a computadores. Não é necessário o CSMA/CD Half-duplex: computadores ligados a hub. CSMA/CD é necessário. Como a velocidade é 100 vezes maior que a Ethernet clássica, a distância máxima seria 100 vezes menor (25 metros). Para aumentar este limite: Extensão da portadora: o hardware adiciona um preenchimento, aumentando o tamanho do quadro para 512 bytes, ou Rajada de quadros: transmissor concatena quadros para enviá-los juntos. Quem usaria hubs em rede gigabit? Nível Enlace

42 802.3ab – Cabeamento Esta tabela se refere ao melhor caso:
Vale a pena aproveitar a fiação de cobre se a distância é pequena Nível Enlace

43 802.3ab – Controle de Fluxo Se o receptor estiver ocupado com alguma outra tarefa, mesmo durante 1ms e não esvaziar o buffer de entrada em alguma linha, poderão se acumular até quadros neste intervalo. E quando um computador em gigabit estiver transmitindo a um computador na Ethernet clássica? É necessário controle de fluxo: quadros PAUSE (tipo=0x8808), informando quanto tempo deve durar a pausa. Extensão do padrão permite quadros jumbo: até 9KB. Nível Enlace

44 802.3ae – 10Gigabit Ethernet Funciona apenas em fibra, só opera em modo full- duplex, os protocolos de detecção de colisão são desnecessários; Expandiu o padrão Ethernet para uso em redes metropolitanas (MAN) e redes de longa distância (WAN), mantendo princípios de operação e administração de redes; Ainda há autonegociação para ser flexível Nível Enlace

45 802.3ae – Cabeamento IEEE está padronizando 40Gbps e 100Gbps (802.3ba-2010). Causas do sucesso Ethernet: simplicidade, fácil manutenção, baixo custo, compatibilidade com IP. Nível Enlace

46 ARP – Address Resolution Protocol Protocolo de controle entre nível 2 e 3
ARP mapeia endereços IP em endereços de enlace. Responde à pergunta: A quem pertence tal endereço IP? Há broadcast na rede perguntando o MAC de tal IP. Caso 1: Hosts na mesma rede. Ex: Host 1 tx para Host 2 Nível Enlace

47 ARP em redes diferentes
Caso 2: Hosts em redes diferentes. Ex: Host 1 (65.7) tx para Host 4 (63.8): não é IP de sua rede, coloca MAC do rot. Roteador pega o quadro e procura IP em suas tabelas, descobre para que roteador mandar (talvez ARP na sua rede para descobrir o MAC deste roteador); Último roteador troca seu MAC pelo MAC de destino do host 4 (talvez ARP na sua rede para descobrir). Nível Enlace

48 Redes sem Fio Tipos de Redes Redes Infra-estruturadas
A Estação Móvel está em contato direto com um Ponto de Acesso. Redes Ad-Hoc Os nós são capazes de trocar, diretamente, informações entre si. Redes Mesh Os nós são capazes de trocar, diretamente, informações entre si, mas contam com uma infraestrutura de apoio. Nível Enlace

49 Redes Infra-Estruturadas
MH – Mobile Host AP – Access Point FH – Fixed Host AP MH FH Nível Enlace

50 Redes Ad-hoc Nível Enlace

51 Redes Mesh Nível Enlace

52 Avaliando Wireless Vantagens: Facilidade de Instalação Mobilidade
Redução de Custo Desvantagens: Disponibilidade de Menor Banda de Transmissão Taxas de Erro Roteamento Dispositivos com poder computacional reduzido Nível Enlace

53 Tecnologias de Redes sem Fio
Padrão IEEE Freqüência Alcance (outdoor) Taxa (Bluetooth) 2.4GHz <10m 723 Kbps (UWB) 30-50m 10-55Mbps a GHz Mbps (Zig Bee) 868M, 915M, 2.4 G 10-75m 20-250Kbps 802.11a (WiFi) 5GHz < 50m 6-54Mbps 802.11b <100m 2-11Mbps 802.11g 20-54Mbps 802.11n 2.4GHz, 5GHz <250m 150Mbps-300Mbps (WiMAX) 10-66GHz 10km 60-100Mbps 802.16e (100km/h) 2-6GHz 70 Mbps Nível Enlace

54 Alcance das Redes sem Fio
WWAN IEEE (MBWA) WMAN IEEE (WiMAX) WLAN IEEE a/b/g WPAN IEEE Bluetooth, WUWB, ZigBee 0-10m 50m 75m 100m 10km 15km Intel: "o é a coisa mais importante desde a própria Internet" Nível Enlace

55 WPAN – Wireless Personal Area Networks
Bluetooth (IEEE ) Ultra Wide Band (IEEE ) Zigbee (IEEE ). Conjunto de dispositivos de uma pessoa dispostos, ao redor desta, como uma bolha, dispositivos que podem se mover e se conectar entre si. Nível Enlace

56 Bluetooth – IEEE 802.15.1 Objetivos Técnicos: tamanho reduzido
baixo custo de implementação baixo consumo de energia seguro e robusto para bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical radio bands) Desafios: Técnica de transmissão FH-SS (Frequency Hopping Spread Spectrum) integração num único componente Nível Enlace

57 Bluetooth - Origem Consórcio SIG (Special Interest Group) formado por Ericsson, IBM, Intel, Nokia e Toshiba, queria desenvolver padrão sem fio para interconectar dispositivos de computação e comunicação e ainda acessórios. Nome homenageia O rei dinamarquês Harald Bluetooth, rei viking que unificou Dinamarca e Noruega. Bluetooth v1.0 – 1999 foi introduzida v (chega a 1Mbps) Mais de 3000 produtos já homologados pelo SIG Tecnologia começa a vir embutida em dispositivos mais novos - Custo de dispositivos em queda.... Nível Enlace

58 Bluetooth - Aplicações
Access Point BT (AXIS) Handhelds BT (iPAQ) Mouse (Microsoft) Mouse/Laser Pointer (Logitech) Notebook (Toshiba) Mouse+Teclado Handheld (Sony) Headsets BT (Ericsson) Cartão BT (Toshiba) Celulares BT (Ericsson) Notebooks (Compaq) Os dispositivos se conectam (emparelhamento) e transferem dados com segurança Nível Enlace

59 Bluetooth - Arquitetura
Toda rede Bluetooth é dividida em: Mestres: requisitar serviços; organizar e comandar a transmissão e recepção de dados Escravos: até 7; baratos, pouco inteligentes. Estacionário: estado de baixa energia p/ redução de consumo. Nível Enlace

60 Bluetooth - Topologia Piconet: unidade básica do sistema Bluetooth consistindo de um nó mestre e até sete nós escravos ativos em uma distância de 10 m. Scatternet: Coleção de piconets interconectadas Piconet Simples Multi-slave Mestre Escravo Scatternet Mestre / Escravo M2 M1 S1 M3 S2 Escravos Nível Enlace

61 Bluetooth - Topologia Tem uma pilha de protocolos própria: não OSI, não TCP/IP, não 802; 25 aplicações específicas suportadas, chamadas perfis. Ex: comunicação do telefone móvel com computador, comunicação do headset com estação base, comunicação de teclado com computador, etc. Trabalha na faixa de frequência ISM de 2,4GHz. Para não interferir com o WiFi realiza Salto de Frequencia Adaptativo: os nós mudam de frequencia simultaneamente, sob ordem do mestre; fazer o salto excluindo os canais em que existam outros sinais de RF. Nível Enlace

62 Bluetooth – Pilha de Protocolos
Simula porta serial dos parceiros Estabelece o enlace (emparel.) Abaixo da linha de interface implementado no chip. Acima, implementado no dispositivo. L2CAP – Logical Link Control Adaptation Protocol – controle de quadros de tamanho variável. Ex: Se aplicação de fluxo contínuo, pode não usar o L2CAP. Nível Enlace

63 Bluetooth – Controle de Acesso
SCO – Synchronous Connection Oriented: para dados em tempo real; aloca-se slots fixos em cada sentido. Usa-se correção de erro pois não há retransmissão (se perdeu o quadro não faz sentido reenviar pela criticidade do tempo). ACL – Asynchronous ConnectionsLess: para dados disponíveis em intervalos irregulares, onde a entraga se faz com base no melhor serviço possível (Best Effort). Nenhuma garantia é oferecida: se faz polling TDMA para arbitrar o acesso. Nível Enlace

64 ZigBee – IEEE 802.15.4 Características:
taxas de transmissão de 250Kbps, alcance de 1 a 75 metros (300 metros - proprietária), faixa de freqüência: 868MHz (Europa), 915MHz (EUA) e 2.4GHz (Intern.) ISM. Objetivo: “atender aplicações voltadas à automação doméstica e predial, controle industrial, acesso a periféricos, utilização de sensores médicos, brinquedos e jogos” prover baixa complexidade, baixo custo, baixo consumo de potência. Nível Enlace 64

65 ISA100.11a e WirelessHart Derivados do IEEE e disseminados na indústria para Redes de Sensores. The reason both standards were developed is that there exists no IEEE standard that directly fits the use cases for process automation. Both ISA100.11a and IEC62591 (WirelessHart) are developments based on IEEE Walt Boyes Life Fellow, International Society of Automation Editor in Chief, Control and ControlGlobal.com Nível Enlace

66 WLAN – IEEE a/b/g/n/ac Originário de uma aliança de empresas foi padronizado pelo IEEE. A Wi-Fi Alliance é um fórum de empresas para certificação de produtos quanto à interoperabilidade. A Marca Wi-FiTM indica produtos certificados. Padrão IEEE especifica: controle de acesso ao meio (MAC) protocolos de camada física (PHY) PHY MAC IP LLC IEEE 802.2 IEEE Nível Enlace

67 WiFi – PHY Diversas camadas físicas (PHY) para a mesma camada MAC
Nível Enlace

68 Wireless – Características
Uma estação em uma mesma LAN pode não ser capaz de transmitir ou receber quadros de todas as estações devido ao alcance limitado do rádio. O que importa é a interferência no receptor e não no transmissor – um receptor dentro do alcance de dois transmissores terá o sinal resultante com interferência => Várias conversas podem ocorrer ao mesmo tempo em uma sala grande, desde que não dirigidas para a mesma pessoa (“re-uso espacial”); Não há como detectar colisões durante uma transmissão: o sinal recebido pode ser um milhão de vezes mais fraco que o sinal que está sendo transmitido e não pode ser detectado ao mesmo tempo => os rádios são half-duplex; Nível Enlace

69 Wireless – Estação Oculta
A e B estão no alcance um do outro; B e C também, porém A não alcança C. Se A transmite para B e C detectar o meio, não perceberá a transmissão. Se transmitir para o próprio B, ou para D, arruinará a transmissão de A para B. Queremos um MAC que impeça esta colisão. (Colisão desperdiça banda). O problema da estação oculta: A e C ocultos ao transmitirem para B. Nível Enlace

70 Wireless – Estação Exposta
A e B estão no alcance um do outro; B e C também, porém A não alcança C. Se B transmite para A e C desejar transmitir para D, ao detectar o meio ouvirá uma transmissão em andamento e concluirá incorretamente que não pode transmitir. Queremos um MAC que permita esta transmissão (adiar desperdiça banda). O problema da estação exposta: B e C estão expostos ao transmitir para A e D. Nível Enlace

71 CSMA/CA Quem tem um quadro a transmitir começa com um backoff aleatório (de 0 a 15 slots). Espera até que o canal esteja inoperante, conta slots inoperantes,interrompendo a contagem quando houver envio; Envia seu quadro quando contador chega a 0. Se não houver confirmação, deduz colisão, aplica algoritmo de recuo binário exponencial. Nível Enlace

72 WiFi – Modos de Operação
PCF (Point Coordination Function) - opcional: Ponto de Acesso efetua polling, perguntando quem quer transmitir => não há colisão, mas não permite reuso espacial. (não usado na prática) DCF (Distributed Coordination Function) não utiliza nenhum controle central: CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance) tem 2 modos de operação: Detecção de Canal Físico– verifica o meio para ver se há sinal válido. Detecção de Canal Virtual – manter registro lógico de quando o canal está em uso. Nível Enlace

73 Detecção de Canal Virtual
Rastrear vetor de alocação de rede, ou NAV (Network Allocation Vector). Todo o quadro transporta um campo que fornece quanto tempo levará para concluir a sequência da qual este quadro faz parte. As estações que escutam o quadro sabem que o canal estará ocupado pelo período indicado pelo NAV, independente de detectar o meio físico. O NAV de dados inclui o tempo necessário para a confirmação. Quem escutar o quadro de dados adia a transmissão para depois da confirmação. Um mecanismo opcional(RTS/CTS) usa o NAV para impedir transmissões de terminais ocultos. Nível Enlace

74 RTS/CTS RTS (Request to Send): Quadro de controle curto que contém o comprimento do quadro de dados que possivelmente será enviado em seguida. CTS (Clear to Send): Quadro de controle curto que contém o tamanho dos dados (copiado do RTS). Após o recebimento de CTS, a estação A pode transmitir. Nível Enlace

75 Detecção de Canal Virtual com RTS/CTS
Posicionamento das estações no espaço C A B D Uso de detecção de Canal Virtual com RTS/CTS Não resolve o problema do terminal exposto. Nível Enlace

76 WiFi – Rajada de Fragmentos
Redes sem fio são ruidosas e pouco confiáveis. Quanto maior o quadro, maior a probabilidade de fracasso. Solução: Os quadros podem ser fragmentados em pedaços menores, assim só se retransmitiria o fragmento defeituoso. Se C e D param o NAV após primeiro ACK, como enviar toda a rajada? Definição de Mecanismo de Controle de tempo. Nível Enlace

77 WiFi – Controle de Tempo
Se estiver sendo usado o PCF, a distribuição de tempo seria de acordo com esta figura. DIFS : Tenta adquirir o canal se o meio ficar ocioso por DIFS EIFS : para não interferir em diálogos em andamento Nível Enlace

78 Qualidade de Serviço Suponha as seguintes aplicações em uma rede:
VoIP: baixa largura de banda necessária, admite pequeno atraso. Peer-to-peer: alta largura de banda consumida, admite atraso maior que VoIP. Na competição a voz seria degradada. Utilizar o mecanismo de controle de tempo para dar prioridade ao VoIP. Diferentes intervalos para diferentes tipos de quadros. Nível Enlace

79 Espaçamento entre quadros
SIFS – Short InterFrame Spacing AIFS1 – Arbitration Interframe Spacing – pode ser usado pelo AP para o tráfego de voz; AIFS4 – pode ser usado pelo AP para o tráfego peer-to-peer Nível Enlace

80 Economia de Energia O mecanismo utiliza quadros de baliza (Beacon Frame) transmitidas periodicamente (ex: 100ms) pelo AP com parâmetros do sistema. Cliente: seta bit de gerenciamento de energia - informa entrada no modo de economia de energia. Cochila e aguarda a próxima baliza para verificar se há tráfego para ele. Se houver, recebe e pode voltar a dormir até próxima baliza. AP: guarda os quadros do cliente em buffer, envia baliza com mapa do tráfego. Se requisitado, envia o tráfego armazenado. APSD (Automatic Power Save Delivery): AP envia quadros para o cliente assim que o cliente enviou algo para o AP (indicando que está acordado). Bom para aplicação com tráfego nos 2 sentidos. Nível Enlace

81 Formato do Quadro de dados - 1
Tipo: Dados, controle ou gerenciamento; Subtipo: Ex: RTS ou CTS; Para DS, de DS: o quadro está indo ou vindo do Sistema de Distribuição entre Célula ( Distribution System, ou seja, do AP); MF: More Fragments; Repetir: =1 indica que é retransmissão; Ger. Energ.: Estado que estará após envio deste quadro (economia ou não); Mais dados: AP indica que tem mais dados em seu buffer (guia economia); Protegido: Corpo do quadro criptografado com WEP; Nível Enlace

82 Quadro de dados - 2 Ordem: Seqüência de quadros deve ser processada em ordem (unicast e multicast) Duração: Por quanto tempo o quadro e confirmação ocuparão canal – em ms (para cálculo do NAV); Endereços: Endereço de origem, destino, e endereços das célula-base de origem e destino; Seqüência: Numera o quadro (12 bits) e o fragmento (4 bits); Dados: Carga útil de até 2312; Total de verificação: CRC. Nível Enlace

83 Endereços SA: Source Address; TA: Transmitter Address
DA: Destination Address; RA: Receiver Address To DS From DS Address  Address 2 Address3 Address 4 (Opc) 0 0 RA = DA TA = SA BSSID N/A 0 1 RA = DA TA = BSSID SA N/A 1 0 RA = BSSID TA = SA DA N/A 1 1 RA TA DA SA ToDS=0, FROMDS=0 ToDS=1, FROMDS=1 ToDS=1, FROMDS=0 ToDS=0, FROMDS=1 Nível Enlace

84 Entrando na célula Quando uma estação entra em uma célula (BSS – Basic Service Set) ela precisa obter informação de sincronização. Há 2 maneiras de obtê-la: Scan passivo: a estação aguarda a recepção de um quadro de controle (Beacon frame) do AP; Scan ativo: a estação tenta encontrar o AP enviando um Probe Request e aguardando um Probe Response. Após encontrar uma rede, o nó deve ser autenticado e depois associado a rede. O padrão define que cada LAN deve fornecer os seguintes serviços para clientes e APs: Nível Enlace

85 Serviços - 1 Associação: Usado pela estação móvel para conectar-se ao AP; o AP pode aceitar ou recusar o pedido do cliente; Desassociação: Interromper o relacionamento; Reassociação: Estação pode mudar de AP. (semelhante ao Handoff da rede de celular); Autenticação: Rede aberta ou com WPA2. AP lança desafio para estação candidata. A candidata que conhece a senha criptografa o quadro de desafio com a chave secreta. Distribuição: Determina como encaminhar quadros enviados ao AP – se destino for local, enviar pelo ar; Integração : Conversão entre formato e formato da rede destino. Nível Enlace

86 Serviços - 2 Entrega de dados: Objetivo final. Não garante confiabilidade, camadas mais altas devem cuidar de erros; Privacidade: Administra criptografia e descriptografia; Escalonamento de Tráfego: Usa o protocolo descrito para dar preferência aos tráfegos que necessitam prioridade; Controle de Potência de Transmissão: oferece as estações as informações necessárias para atender aos limites regulamentares que variam de lugar para lugar. Seleção dinâmica de frequência: oferece informações para selecionar frequência não ocupada. Nível Enlace

87 Exemplos de Quadros Os quadros trazem muitas informações associadas aos serviços. Ex de quadros: Type Value Description Subtype Value Subtype Description 00 Management Association Request 00 Management Association Response 00 Management Reassociation Request 00 Management Reassociation Response 00 Management Probe Request 00 Management Probe Response 00 Management Reserved 00 Management Beacon 00 Management Disassociation 00 Management Authentication 00 Management Deauthentication 00 Management Reserved 01 Control Request To Send (RTS) 01 Control Clear To Send (CTS) 01 Control ACK e controle (Beacon frame) do AP; Nível Enlace

88 Uso dos canais na faixa ISM
ISM – Industrial, Scientific and Medical 2412 2437 2462 2417 2442 2447 2422 2427 2452 2432 2457 Limite Inferior Limite Superior Número do Canal Frequência Central Banda ISM 24835 MHz 2400 MHz Nível Enlace

89 Utilização em Áreas próximas
1 11 SSID-B 6 11 6 1 SSID-C SSID-A 1 6 1 11 Nível Enlace

90 WiFi – IEEE 802.11n Aprovado em 2009--Compatível com o IEEE 802.11b/g
Alto desempenho na faixa de 2.4GHz ou 5GHz: Utiliza OFDM e MIMO (Multiple Input, Multiple Output) que aproveita a característica de múltiplos caminhos da onda (multipath): a informação transmitida reflete nos objetos e atinge a antena de recepção por diferentes ângulos e em instantes pouco diferentes; as antenas de recepção selecionam o melhor sinal, ou tem algum circuito para combinar os sinais recebidos fornecendo um sinal de melhor qualidade. Waves that travel along two different paths will arrive with phase shift, hence interfering with each other. Nível Enlace

91 Riscos Má-configuração Clientes / Pontos de Acesso não autorizados
Interceptação de tráfego Interferência / Interrupção Ataque entre clientes Ataque contra ponto de acesso Quebra da informação criptografada Warchalking: Marcar pontos com alcance Nível Enlace

92 Parte do endereço MAC do AP indica o fabricante !!
Má configuração AP – configuração default insegura SSID – Acesso à rede “tsunami” – Cisco “linksys” – Linksys Sistemas com WEP e WPA foram quebrados. Hoje o WPA2 é adotado como o padrão seguro (usa o AES) Parte do endereço MAC do AP indica o fabricante !! Nível Enlace

93 WiMAX – Objetivo: “...uso de acesso sem fio de banda larga (BWA – Broadband Wireless Access)” altas taxas de transmissão de dados; aumento da área de cobertura; alternativa econômica e viável; WiMax – Worldwide Interoperability for Microwave Access Nível Enlace

94 WiMax – Origem IEEE 802.16d ou 802.16-2004:
Primeira versão aprovada 2001 (10-66 GHz); Segunda versão aprovada em 2004 inclui a banda de 2-11 GHz que não exige linha de visada e OFDM, MIMO e AMC (Adaptive Modulation and Coding) ; Pretensão: Taxas de transmissão de 60 a 100Mbps e alcance de aprox. 10km Os objetivos iniciais eram fornecer telefonia digital, acesso à Internet, conexão de duas LANs remotas, difusão de televisão e rádio, entre outros. Originalmente focados na idéia de conectar usuários estáticos em edifícios. Nível Enlace

95 WiMax – Evolução IEEE 802.16e ou Mobile WiMax
Taxas de transmissão aproximada de 45Mbps, Alcance de aprox. 50km Estações Cliente Móveis (até 150km/h) QoS é fundamental: pretende-se usar multimídia. Segurança é fundamental (Utiliza AES) IEEE j ou Versão em uso atualmente, consolida as anteriores Competidora do 3G IEEE m ou WiMax2 taxas de até 1Gbps fixo e 100Mbps móvel, Aprovada em 2011, reconhecida como 4G Nível Enlace

96 WiMax – Comparação WiMax em relação a WiFi
Idem OFDM e MIMO; a mais AMC; Distâncias no mínimo 10 vezes maiores; WiFi – indoor; Wimax – outdoor; Para sinais atingirem distâncias maiores, aumenta-se a potência; Para maximizar throughput: MAC não prevê colisão; Segurança idem, ambos utilizam AES. WiMAX em relação a 4G 4G: OFDM e MIMO; 4G: visa totalmente dados - voz é apenas uma aplicação; Ambos tentam fazer uso eficiente do espectro – espectro licenciado é o esperado. Nível Enlace 96

97 – Modo de Operação (a) PMP – Ponto-Multiponto: tráfego entre BS e SS (b) Mesh: o tráfego pode ser roteado através de outras SSs Nível Enlace

98 RFID RFID – Radio Frequency Identification: tecnologia usada em smartcards, implantes em animais, passaportes, objetos formando uma rede de comunicação; EPC – Electronic Product Code: Identificador substituto para código de barras, pode transportar quantidade maior de informações sendo legível por distâncias de até 10m, mesmo quando não está visível. EPC Gen2: Arquitetura da Segunda geração da tecnologia Nível Enlace 98

99 RFID Etiquetas: possuem identificador de 96 bits e memória que pode ser lida e escrita pela leitora. Classe 1: etiqueta que não possui bateria e colhe energia das transmissões de rádio de uma leitora RFID; Leitoras: Equivalente ao AP. Possuem fonte de energia, têm várias antenas e definem quando as etiquetas enviam e recebem mensagens. É possível ter várias leitoras disputando a mesma área, e várias etiquetas querendo transmitir => resolver o problema do acesso. Tarefa principal da leitora: descobrir identificadores das etiquetas vizinhas. Nível Enlace 99

100 RFID – Camada Física Leitora: está sempre transmitindo um sinal, se leitora ou etiqueta está se comunicando: Se leitora se comunicando o sinal transporta bits. Se etiqueta quer se comunicar, pega sinal enviado pela leitora – portadora fixa sem bits - reflete o sinal. O resultado é um sinal fraco, que deve ser filtrado para que a leitora consiga decodificar. A taxa é baixa. A modulação deve ser simples para ser realizada com pouca energia: só muda amplitude; 1s maiores que os 0s. Nível Enlace 100

101 RFID – Camada de Identificação
Que tal a leitora mandar um broadcast perguntando: que etiquetas estão aí? Resposta: Muitas colisões. MAC: Leitora envia msg Query Etiquetas (tags) jogam dado para determinar em que slot responderão QRepeat fazem tags decrementarem o contador (indica em que slots elas podem responder aleatoriamente); Etiquetas apanham um slot aleatoriamente para responder com um número aleatório de 16 bits: RN16; Se não houver colisão a leitora confirma – ACK ; A etiqueta envia o identificador. Nível Enlace 101

102 RFID – Camada de Identificação
Questões: Porque manda um número curto e já não envia o identificador? Troca curta, eventual colisão de recuperação mais rápida. Após transmissão do identificador, a etiqueta deixa de responder por um tempo a novas Query para as etiquetas restantes serem identificadas. Quantos slots reservar para as etiquetas poderem usar? Segue a idéia do algoritmo de backoff exponencial: Se deixar muitos slots, muitos ficaram sem uso; se deixar poucos slots, haverá muitas colisões. Mensagem QAdjust para aumentar ou diminuir o intervalo de slots sobre os quais as etiquetas respondem. Só interessa o identificador? Outras operações podem ser realizadas a partir do identificador. Nível Enlace 102

103 Comutação na camada de enlace
Bridges examinam endereços MAC para realizar o encaminhamento de quadros (equivalente a switches); São usadas para unir várias LANs físicas uma única LAN lógica, ou o inverso – separar uma LAN física em várias LANs lógicas (VLAN). Quando unir? Redes autônomas que querem interagir mais que antes; LANs geograficamente distantes que pertencem a um mesmo domínio lógico. Quando separar? Para acomodar carga: qto – estações, + banda p/ cada; Confiabilidade (uma estação com defeito pode arruinar a LAN) e segurança. Unir ou separar de forma transparente. Nível Enlace

104 Learning Bridges -1 Para fazer o encaminhamento a Bridge deve saber que estação está em que porta; manter uma tabela hash. Algoritmo de Aprendizado Reverso: ao chegar um quadro por uma porta, guardar o MAC de origem na tabela. Para lidar com alterações da rede, atualizar a informação a cada quadro que chega e varrer a tabela retirando entradas antigas. Problema de inicialização: como enviar um quadro a uma estação que previamente não enviou quadros, e portanto não se aprendeu ainda sobre ela? Algoritmo de inundação: enviar o quadro para todas as LANs às quais a bridge está conectada. (Isto explica a recepção de quadros “alheios” na sua placa de rede). Nível Enlace 104

105 Learning Bridges - 2 Procedimento de encaminhamento de um quadro que chega: 1) Porta end. destino = porta end. origem, descarte; Ex: E p/ F que chegou na porta 2; 2) Porta end. destino # porta end. origem, encaminhe. Ex: A p/ B : porta destino=2, porta origem=1 3) Porta end. destino desconhecida, inunde, exceto pela porta origem. Ex: C p/ D, inunde em B1, portas 1,2,4. Nível Enlace 105

106 Learning Bridges - 3 Processamento dos protocolos em uma bridge.
O serviço de retransmissão passa de um protocolo de enlace para o outro protocolo de enlace, adequando a “conversa”. A retransmissão pode ser difícil quando há muitas diferenças entre os protocolos de enlace. Ex: WiFi manipula quadros de até 2K Bytes e Ethernet de 1,5KBytes. O que fazer? Fragmentar? Nível Enlace 106

107 Spanning Tree Bridges - 1
Por confiabilidade poder-se-ia conectar bridges com enlaces paralelos. Quadro F0 de A é inundado por B1 como quadros F1 e F2. Quando chegam a B2, B2 inunda com quadros F3 e F4. Quando chegam a B1... Nível Enlace 107

108 Spanning Tree Bridges - 2
Sobrepor à topologia real uma Spanning Tree que alcance cada bridge: ignorar conexões potenciais que possam criar loops. (Na figura ignoram-se os enlaces pontilhados). Algoritmo spanning tree (IEEE 802.1D): Nós escolhem uma raíz (menor MAC); encontrar shortest path da raíz a cada bridge ( em caso de empate, menor MAC) Nível Enlace 108

109 Dispositivos de Redes – 1
Repetidores: não conhecem quadros, amplificam o sinal para obter o efeito de prolongamento do cabo. Hubs: conectam eletricamente as entradas. Switches: Examinam o quadro; as portas são isoladas, podem ter diferentes velocidades. Necessidade de buffers. Roteadores: Examinam o pacote para decidir a rota de saída Nível Enlace 109

110 Dispositivos de Redes – 2
Gateway de Transporte: conectam diferentes computadores que utilizem diferentes protocolos de transporte, como TCP x SCTP (Stream Control Transport Protocol). Gateway de Aplicação: convertem mensagens da aplicação de um formato para outro. Ex: gateway de correio eletrônico converte msg de para SMS. Nível Enlace 110

111 Virtual LAN - VLAN No início a geografia superava a lógica. Se dois funcionários trabalhassem na mesma sala estavam na mesma LAN; além disso, uma mudança física de um funcionário implicava em mudança de LAN; Deseja-se flexibilidade: é interessante desacoplar a rede física da lógica (via software!). Razões para organizar quem está em qual LAN: Segurança; Carga; Tráfego de Broadcast – consome banda. (tempestade de broadcast derrubam a rede); Nível Enlace 111

112 Exemplo de 2 VLANs Duas VLANs cinza e branca em uma LAN com bridges.
Tabelas informam quais as VLANs são acessíveis em qual porta. No caso de inundação ou broadcast só se copia o quadro para as portas da mesma VLAN. No caso de um quadro vindo do hub, encaminhar para VLAN G ou W? Alterar o cabeçalho do quadro Ethernet para conter a identificação da VLAN a que o quadro pertence. Nível Enlace

113 IEEE 802.1Q “Colorir” o quadro, a fim de que o switch identifique para onde encaminhá-lo. No lugar de Tipo: 0x Prioridade (3 bits) para QoS + Bit CFI (Canonical Format Indicator) para compatibilidade com rede Token Ring; CFI=1, não encaminhe para porta que não usa 802.1Q até chegar a uma rede TokenRing + Identificador de VLAN (12 bits) Nível Enlace

114 802.1Q x A Ethernet clássica, não reconhece uma VLAN como o B6. Os switches que reconhecem 802.1Q podem inserir ou retirar a tag. Ex: (1) Maquina 802.1Q de B1 tem pacote p/ máquina de B5: B5 precisa retirar a tag para entregar; (2) Mesma maq. tem pacote para máquina de B6: B4 precisa retirar a tag. Nível Enlace