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1A Camada Física O nível Físico Relacionado a transmissão de bits sobre um canal de comunicação. Enviar um bit 1 e garantir que se receba um bit 1 do outro.

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1 1A Camada Física O nível Físico Relacionado a transmissão de bits sobre um canal de comunicação. Enviar um bit 1 e garantir que se receba um bit 1 do outro lado. Define características mecânicas, elétricas e funcionais para ativar, manter e desativar conexões físicas para a transmissão de bits entre as entidades do nível superior. Regulamenta interfaces: Mecânicas - Número de pinos dos conectores, dimensões... Elétricas - Níveis de tensão, corrente, balanceamento de carga... Funcionais - Temporizações, controle, estabelecimento das conexões-físicas...

2 2A Camada Física Princípios da Comunicação de Dados Nenhum recurso de transmissão é capaz de transmitir sinais sem perder parte da energia no processo. Largura de Banda (Definição dos eletrônicos): Faixa de freqüências transmitidas sem serem fortemente atenuadas. Propriedade física do Meio de Transmissão medida em Hz. Largura de Banda (Definição dos computeiros): taxa de dados máxima de um canal, medido em bps. É o resultado final do uso da largura de banda analógica.

3 3A Camada Física Suportes de Transmissão Suportes de Transmissão Vários meios físicos podem ser utilizados para suportar a transmissão. Cada um com seu delay, custo, facilidade de instalação, manutenção, largura de banda, etc. Suportes mais comuns: Meios Magnéticos (DVDs, fitas) ->caminhonete com fitas: menor custo, maior capacidade de transmissão (Custo fita = meio centavo por gigabyte); Par trançado; Cabo coaxial; Meios guiados Fibra óptica; Wireless – Rádio Terrestre Satélite.

4 4A Camada Física Par Trançado Consiste de um par de fios enrolados em espiral fechados em uma borda protetora. O mais comum. Trançados para diminuir a interferência elétrica. UTP – Unshielded Twisted Pair – o mais popular hoje, consiste de 4 pares de fios de cobre; As padronizações foram feitas pela EIA/TIA (Electronic Industries Association/Telecommunications Industries Association). Categoria 3 – Largura de Banda 16 MHz; Categoria 5 – Largura de Banda 100 MHz; (100 Mbps usa 2 pares,1 Gbps usa os 4 pares). Categoria 6 – Largura de Banda 250 MHz; Categoria 7 – Largura de Banda 600 MHz: possuem blindagem: STP – Shielded Twisted-Pair. Cada par possui uma malha metálica (blindagem).

5 5A Camada Física Exemplo Fast Ethernet sobre diferentes suportes

6 6A Camada Física Fibra óptica Consiste de um cilindro finíssimo de vidro, o núcleo, circundado por uma camada concêntrica de vidro. Sinais de dados são transmitidos na forma de pulsos de luz: não estão sujeitos a interferência elétrica, são rápidos e transmitem a grandes distâncias e... são caros. Um pulso de luz indica bit 1, ausência de luz indica bit 0.

7 7A Camada Física Fibra óptica – Componentes O sistema de transmissão óptica tem 3 componentes: a fonte da luz, o meio de transmissão e o detector que gera um pulso elétrico quando entra em contato com a luz. O sistema de transmissão óptica tem 3 componentes: a fonte da luz, o meio de transmissão e o detector que gera um pulso elétrico quando entra em contato com a luz. Um raio de luz incidente em um meio apropriado, com um ângulo de incidência apropriado, faz com que a luz seja refletida internamente e possa se propagar por kilômetros sem perda. Um raio de luz incidente em um meio apropriado, com um ângulo de incidência apropriado, faz com que a luz seja refletida internamente e possa se propagar por kilômetros sem perda.

8 8A Camada Física Fibra óptica – Modos Fibra multimodo – É possível que muitos raios acima do ângulo crítico estejam sendo refletidos internamente. Muitos raios diferentes em angulos diferentes. Cada raio em um modo diferente. Tem 50 mícrons de diâmetro (1 fio de cabelo humano) Fibra monomodo – Ao reduzir o diâmetro da fibra, ela atua como guia de onda e a luz se propaga em linha reta. Tem entre 8 e 10 mícrons. É mais cara pelo processo de fabricação mais sofisticado, porém atinge distâncias maiores.Hoje chega a 100 Gpbs por 100km sem amplificação (?). Limitação devido à conversão elétrico-ótico.

9 9A Camada Física Wireless LAN O princípio utilizado é a transmissão através de ondas eletromagnéticas que se propagam no ar. O número de oscilações por segundo é a frequência, medida em Hz. O espectro eletromagnético:

10 10A Camada Física Rádio Ondas de rádio : fáceis de gerar, percorrem longas distâncias, penetram em prédios; são omnidirecionais (viajam em todas as direções a partir da fonte) o que não exige que tx e rx estejam cuidadosamente alinhados (a) Nas bandas VLF, LF e MF, as ondas obedecem a curvatura da terra. (b) Nas bandas HF e VHF ricocheteiam na ionosfera.

11 11A Camada Física Microondas Acima de 100Mhz, as ondas trafegam praticamente em linha reta o que exige o alinhamento preciso. Em grandes distâncias a terra ficaria entre as ondas. Não atravessam bem paredes de edifícios, e acima de 4Ghz são absorvidas pela água. (Desligar os enlaces afetados pela chuva e criar rota alternativa); Conveniente pelo custo para distâncias relativamente grandes. Os governos dos países devem controlar o uso do espectro. Algumas bandas podem ser usadas sem controle, como para telefone sem fio, abertura de portas de garagens, pois com baixa potência o alcance é pequeno e é difícil a interferência. Bluetooth e operam na banda de 2,4 Ghz.

12 12A Camada Física Bandas ISM ISM – Industrial, Scientific, Medical – Bandas reservadas pelos governos para uso sem licença, regulando a potência utilizada. Banda ISM no Brasil, tem muita coincidência com EUA. 2,4GHz – usadas pelo b/g 5 GHz – usadas pelo a - Ambas usadas pelo n

13 13A Camada Física Modulação Digital e Multiplexação Modulação Digital: processo de conversão entre bits e sinais que os representam; Transmissão de Banda Base: o sinal ocupa frequências de zero até um máximo (depende da taxa de sinalização) – os bits são convertidos diretamente em sinais – comum para fios; Transmissão de Banda Passante: o sinal ocupa uma banda de frequências em torno da frequência do sinal da portadora; regulam amplitude, fase ou frequência de um sinal da portadora para transportar bits.

14 14A Camada Física Transmissão em Banda Passante (a) Sinal binário; (b) Modulação por mudança de amplitude (ASK – Amplitude Shift Keying) (c) Modulação por mudança de frequência (FSK – Frequency Shift Keying) (d) Modulação por mudança de fase (BPSK – Binary Phase Shift Keying) Modulação: Processo de variar periodicamente uma forma de onda para utilizar aquele sinal para transportar uma mensagem. Realizado pelo modem.

15 15A Camada Física Taxa de bits Baud: Número de amostras por segundo. Durante cada baud é enviado um símbolo. Uma linha de 2400 bauds, envia 2400 símbolos/s. Taxa de bits: Se o símbolo consiste em 0 volts para indicar 0 lógico, e 1 volt para indicar valor 1 lógico, a taxa de bits é 2400 bps. Se usar as voltagens 0,1,2,3 cada símbolo consiste em 2 bits, e assim uma linha de 2400 bauds pode transmitir 2400 símbolos/s a uma taxa de bits de 4800 bps. Utiliza-se técnicas avançadas para transmitir vários bits por baud. Taxa de bits (bps) = símbolos/s * bits/símbolo

16 16A Camada Física Modulações mais eficientes (a) (Quadrature Phase Shift Keying) 4 combinações de fase => 2 bits por símbolo. (a) QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 4 combinações de fase => 2 bits por símbolo. (b) (Quadrature Amplitude Modulation )16 combinações de amplitude e fase => 4 bits por símbolo. (b) QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation )16 combinações de amplitude e fase => 4 bits por símbolo. (c) - 64 combinações de amplitude e fase => 6 bits por símbolo. (c) QAM combinações de amplitude e fase => 6 bits por símbolo.

17 17A Camada Física Multiplexação Multiplexar: Combinar em um único sinal vários fluxos de dados para compartilhar uma mesma linha com vários usuários. FDM (Frequency Division Multiplexing) Muliplexação por Divisão de Frequência: o espectro é dividido em bandas de frequência, tendo cada usuário a posse exclusiva de alguma banda. Ex: 3 canais de voz, limitados a 3100Hz multiplexados OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing: usada no e

18 18A Camada Física TDM e CDM (Time Division Multiplexing): Cada usuário obtém a largura de banda inteira por determinado período de tempo; TDM (Time Division Multiplexing): Cada usuário obtém a largura de banda inteira por determinado período de tempo; (Code Division Multiplexing): cada estação usa o espectro de frequência o tempo todo: as txs são separadas usando codificação. Por isto chamada de CDMA (Code Division Multiple Access). CDM (Code Division Multiplexing): cada estação usa o espectro de frequência o tempo todo: as txs são separadas usando codificação. Por isto chamada de CDMA (Code Division Multiple Access). Comparação: Suponha um saguão de aeroporto com pares de pessoas conversando. TDM: um par fala de cada vez. FDM: grupos separados falam simultaneamente em tons de voz diferentes. CDM: Todos falam simultaneamente em idiomas diferentes (o que não é francês é ruído…).

19 19A Camada Física Rede Pública de Telefonia Comutada PSTN – Public Switched Telephone Network : é útil aproveitar a infra-estrutura existente para o envio de dados. O Circuito Terminal: Modems O uso de transmissão analógica e digital para uma chamada de computador a computador. A conversação é feita usando modems (Modulador-demodulador) e codecs (Codificador- decodificador : para atingir certa medida de compressão).

20 20A Camada Física O Sistema de Telefonia Móvel Primeira Geração - Voz Analógica; Em operação desde a década de 60; Criou a ideia de célula: utiliza um conjunto de frequências não utilizado por células vizinhas para evitar interferência. No centro da célula há a estação base (BS) - retransmissora de rádio. Segunda Geração: Voz Digital: D-AMPS (Digital AMPS); GSM - usado na Europa – acabou dominando; CDMA - usado nos EUA: base p/ 3G;

21 21A Camada Física O Sistema de Telefonia Móvel Terceira Geração: Voz Digital e Dados (smart phones). Há 2 propostas: W-CDMA - Wideband CMDA (Ericsson) - união européia o chamou de UMTS; CDMA2000 dos EUA (Qualcomm). Quarta Geração: LTE (Long Term Evolution). Alguns dos requisitos especificados pela ITU para usar o termo 4G: Comutação de Pacotes (não circuitos); RTT abaixo de 10ms Alta Largura de Banda: Taxa de pico de Uplink – até 50Mbps; Taxa de pico de downlink – até 100Mbps com alta mobilidade; Conectividade em todo lugar; Integração uniforme com IP; (e outros requisitos...)

22 O nível de Enlace de Dados Nível Enlace22 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?

23 Nível Enlace 23 Nível enlace – Fornece ao nível superior (Rede) a capacidade de pedir o estabelecimento ou liberação dos meios físicos associados ao Nível Físico. 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. 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. Papel do Nível Enlace

24 Quadro As unidades de informação transferidas chamam-se quadros. Cada protocolo tem um formato de quadro próprio. Relação entre pacotes (N3) e quadros (N2): 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. Dividir um fluxo de bits em quadros: permitir que o receptor encontre o início de um quadro sem gastar muita banda para isto. Nível Enlace24

25 Serviços fornecidos a camada de Rede Fluxo de dados em um roteador. Fluxo de dados em um roteador. Nível Enlace25

26 Nível Enlace 26 Serviços oferecidos com freqüência pelo Nível 2: Serviços oferecidos com freqüência pelo Nível 2: Serviço sem conexão e sem confirmação; Ex: Ethernet. Serviço sem conexão e sem confirmação; Ex: Ethernet. Serviço sem conexão com confirmação; Ex: WiFi Serviço sem conexão com confirmação; Ex: WiFi Serviço com conexão e confirmação. (Quando enlaces são longos, não confiáveis); Ex: Satélites Serviço com conexão e confirmação. (Quando enlaces são longos, não confiáveis); Ex: Satélites CONFIABILIDADECONFIABILIDADE Serviços fornecidos a camada de Rede

27 Serviços oferecidos - 2 Nível Enlace 27 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 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; 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 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

28 Detecção e Correção de Erros Nível Enlace 28 Há 2 estratégias para tratar erros: Código de correção de erros (FEC-Forward Error Correction). Incluir informação redundante em cada bloco de dados para que o rx deduza os dados transmitidos. Utilizado em canais que geram muitos erros. Ex: wireless. Código de detecção de erros: Incluir redundância apenas para permitir que o rx deduza que houve um erro, mas sem identificar qual. Em canais altamente confiáveis basta detectar o erro (Ex: fibra); É acrescentada à mensagem, um código (CRC) montado a partir de uma combinação polinomial dos dados que compõem o quadro. O recebedor confere o CRC, realizando a mesma combinação e comparando o CRC obtido com o recebido.

29 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 29

30 Sub-Camada de Controle de Acesso ao Meio Nível Enlace 30 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). Nenhum dos métodos estáticos tradicionais de alocação de canais funciona bem com tráfego de rajadas. Se dividir a banda (ou tempo) entre N usuários e tiver mais ou menos que N?

31 Alocação Dinâmica de canais Nível Enlace 31 Premissas fundamentais para formular problema de alocação: Tráfego Independente: Há N estações independentes que geram quadros para transmissão. Tráfego Independente: Há N estações independentes que geram quadros para transmissão. Canal Único: Todas as estações podem transmitir e receber por um único canal; 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. Quadros que colidiram devem ser retransmitidos; Colisão: Dois quadros transmitidos simultaneamente se sobrepõem no tempo e o sinal resultante é adulterado. Quadros que colidiram devem ser retransmitidos; Tempo: Contínuo – tx começa a qualquer instante Segmentado - Tempo dividido em slots ; Tempo: Contínuo – tx começa a qualquer instante Segmentado - Tempo dividido em slots ; Detecção de portadora: As estações podem ou não detectar se o canal está sendo usado. 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 CSMA/CD e CSMA/CA.

32 CSMA / CD - Apresentação Nível Enlace 32 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. Quando uma estação detecta uma colisão e interrompe a transmissão, deve esperar um tempo aleatório para tentar retransmitir o pacote.

33 CSMA / CD Nível Enlace 33 O CSMA/CD pode estar em um destes tres estados: disputa, transmissão ou inatividade. 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. As colisões podem ser detectadas verificando-se a potência e a largura do pulso do sinal recebido e comparando-o com o sinal transmitido.

34 IEEE 802 Nível Enlace 34 O IEEE padronizou várias redes locais e metropolitanas com o nome de IEEE 802. O IEEE padronizou várias redes locais e metropolitanas com o nome de IEEE 802. Alguns sobreviveram, outros não. Difícil prever: Alguns sobreviveram, outros não. Difícil prever: Entre os sobreviventes: Entre os sobreviventes: (Ethernet), (Ethernet), (WiFi) (WiFi) (Bluetooth) (Bluetooth) (WiMax) (WiMax).

35 802.3 – O quadro (1) Nível Enlace 35 Endereço Ethernet – (MAC address) – contém 6 bytes: Endereço Ethernet – (MAC address) – contém 6 bytes: Os 3 primeiros atribuídos pela IEEE às organizações que constroem interfaces Ethernet; Os 3 primeiros atribuídos pela IEEE às organizações que constroem interfaces Ethernet; Os 3 últimos bytes são atribuídos pela organização. Os 3 últimos bytes são atribuídos pela organização. Exemplo: 06-0A BC-24 Exemplo: 06-0A BC-24 O primeiro bit é 0 para endereços comuns e 1 para endereços de grupos (Multicast). 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). Endereço com todos os bits em 1 são recebidos por todas as estações (Broadcast).

36 802.3 – O quadro (2) Nível Enlace 36 Formato do quadro (a) Formato Ethernet (DIX) (b) Formato 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). 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. IdQ (Início de quadro) – 1 byte para sincronismo a nível de quadro.

37 802.3 – O quadro (3) Nível Enlace 37 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 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

38 Colisão Nível Enlace 38 Há um comprimento mínimo de quadro

39 802-3 –Recuo Binário Exponencial Nível Enlace 39 O tempo é dividido em slots discretos de tamanho igual ao pior tempo de propagação de viagem de ida e volta (2t). 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 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. 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 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 Após i colisões, é escolhido um número aleatório entre 0 e 2 i -1. Acontece um congelamento em 1023 após 10 colisões. Após i colisões, é escolhido um número aleatório entre 0 e 2 i -1. Acontece um congelamento em 1023 após 10 colisões.

40 Fast Ethernet – 802.3u Nível Enlace 40 Decisão IEEE: Manter o apenas tornando-o mais rápido. Motivação: Decisão IEEE: Manter o apenas tornando-o mais rápido. Motivação: Manter o cabeamento existente – compatibilidade com as redes existentes; Manter o cabeamento existente – compatibilidade com as redes existentes; Medo de protocolo novo trazer problemas inesperados; Medo de protocolo novo trazer problemas inesperados; Manter o emprego. Manter o emprego. Assim, mantém o formato dos pacotes, interfaces, regras e reduz o tempo do bit. Assim, mantém o formato dos pacotes, interfaces, regras e reduz o tempo do bit. Para não abandonar as placas existentes de 10Mbps, o switch permite que duas estações negociem automaticamente a velocidade ideal ou o tipo de duplex. O comum hoje é o switch 10/100/1000. Para não abandonar as placas existentes de 10Mbps, o switch permite que duas estações negociem automaticamente a velocidade ideal ou o tipo de duplex. O comum hoje é o switch 10/100/1000.

41 GigabitEthernet Nível Enlace 41 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 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. Configurações ponto-a-ponto e não multiponto como no padrão original.

42 802.3ae – 10Gigabit Ethernet Nível Enlace 42 Funciona apenas em fibra, só opera em modo full- duplex, os protocolos de detecção de colisão são desnecessários; 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; 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 Ainda há autonegociação para ser flexível

43 ARP – Address Resolution Protocol Nível Enlace 43 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

44 ARP em redes diferentes Nível Enlace 44 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); 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). Último roteador troca seu MAC pelo MAC de destino do host 4 (talvez ARP na sua rede para descobrir).

45 Redes sem Fio Nível Enlace 45 Tipos de RedesTipos 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.

46 Tipos de Redes Nível Enlace 46 MH – Mobile Host AP – Access Point FH – Fixed Host APAP MHMH MHMH MHMH FH <= Infra-Estruturadas Ad Hoc =>

47 Redes Mesh Nível Enlace 47

48 Tecnologias de Redes sem Fio Padrão IEEEFreqüênciaAlcance (outdoor) Taxa (Bluetooth)2.4GHz<10m723 Kbps (UWB)2.4GHz30-50m10-55Mbps a GHz<10m Mbps (Zig Bee)868M, 915M, 2.4 G10-75m20-250Kbps a (WiFi)5GHz< 50m6-54Mbps b2.4GHz<100m2-11Mbps g2.4GHz<100m20-54Mbps n2.4GHz, 5GHz<250m150Mbps-300Mbps (WiMAX)10-66GHz 10km Mbps e (100km/h)2-6GHz 10km 70 Mbps Nível Enlace48

49 Alcance das Redes sem Fio Nível Enlace49 WWAN IEEE (MBWA) WMAN IEEE (WiMAX) WLAN IEEE a/b/g 0-10m50m75m 100m10km WPAN IEEE Bluetooth, WUWB, ZigBee 15km

50 WPAN – Wireless Personal Area Networks Nível Enlace50 (IEEE )Bluetooth (IEEE ) (IEEE )Ultra Wide Band (IEEE ) (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.Conjunto de dispositivos de uma pessoa dispostos, ao redor desta, como uma bolha, dispositivos que podem se mover e se conectar entre si.

51 Nível Enlace51 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 ISA100.11a e WirelessHart

52 Nível Enlace52 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. 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-Fi TM indica produtos certificados. A Marca Wi-Fi TM indica produtos certificados. Padrão IEEE especifica: Padrão IEEE especifica: controle de acesso ao meio (MAC) controle de acesso ao meio (MAC) protocolos de camada física (PHY) protocolos de camada física (PHY) PHY MAC IP LLC IEEE IEEE

53 Nível Enlace53 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. 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); 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; 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;

54 Nível Enlace54 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). 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.

55 Nível Enlace55 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). 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.

56 Nível Enlace56CSMA/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; 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. Envia seu quadro quando contador chega a 0. Se não houver confirmação, deduz colisão, aplica algoritmo de recuo binário exponencial.

57 Nível Enlace 57 WiFi – Modos de Operação PCF (Point Coordination Function) - opcional: 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) 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: DCF (Distributed Coordination Function) não utiliza nenhum controle central: CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance) tem 2 modos de operação: 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 Físico– verifica o meio para ver se há sinal válido. Detecção de Canal Virtual – manter registro lógico de quando o canal está em uso. Detecção de Canal Virtual – manter registro lógico de quando o canal está em uso.

58 Nível Enlace 58 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. 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. 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. Um mecanismo opcional(RTS/CTS) usa o NAV para impedir transmissões de terminais ocultos.

59 Nível Enlace59 RTS/CTS RTS (Request to Send): Quadro de controle curto que contém o comprimento do quadro de dados que possivelmente será enviado em seguida. 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). 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. Após o recebimento de CTS, a estação A pode transmitir.

60 Nível Enlace60 Detecção de Canal Virtual com RTS/CTS CABD Posicionamento das estações no espaço Uso de detecção de Canal Virtual com RTS/CTS Não resolve o problema do terminal exposto.

61 Nível Enlace61 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. WiFi – Rajada de Fragmentos

62 Nível Enlace62 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 WiFi – Controle de Tempo

63 Nível Enlace63 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. Qualidade de Serviço

64 Nível Enlace 64 Espaçamento entre quadros SIFS – Short InterFrame Spacing AIFS 1 – Arbitration Interframe Spacing – pode ser usado pelo AP para o tráfego de voz; AIFS 4 – pode ser usado pelo AP para o tráfego peer-to-peer

65 Nível Enlace65 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. Economia de Energia

66 Nível Enlace66 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;

67 Nível Enlace67 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.

68 Nível Enlace 68 Exemplos de Quadros Os quadros trazem muitas informações associadas aos serviços. Ex de quadros: Type Value Description Subtype Value Subtype Description 00 Management 0000 Association Request 00 Management0001 Association Response 00Management0010 Reassociation Request 00 Management0011 Reassociation Response 00 Management 0100 Probe Request 00 Management 0101 Probe Response 00 Management Reserved 00 Management 1000 Beacon 00 Management 1010 Disassociation 00 Management 1011 Authentication 00 Management 1100 Deauthentication 00 Management Reserved 01 Control 1011 Request To Send (RTS) 01 Control 1100 Clear To Send (CTS) 01 Control 1101 ACK e controle (Beacon frame) do AP;

69 69Nível Enlace ISM – Industrial, Scientific and Medical MHz 2400 MHz Banda ISM Limite InferiorLimite Superior Número do CanalFrequência Central Uso dos canais na faixa ISM

70 Nível Enlace70 WiFi – IEEE n Aprovado em Compatível com o IEEE b/g Aprovado em Compatível com o IEEE b/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. 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.

71 Nível Enlace71 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

72 Nível Enlace72 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...

73 Nível Enlace73 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)

74 Nível Enlace74 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; Segurança; Carga; Carga; Tráfego de Broadcast – consome banda. (tempestade de broadcast derrubam a rede); Tráfego de Broadcast – consome banda. (tempestade de broadcast derrubam a rede);

75 Nível Enlace 75 Exemplo de 2 VLANs Duas VLANs cinza e branca em uma LAN com bridges. 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. 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. 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.

76 Nível Enlace 76 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)

77 Nível Enlace Q 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.


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