Enlace Referência: Slides extraídos do material dos professores Jim Kurose e Keith Ross relativos ao livro “Redes de Computadores e a Internet – Uma.

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1 Enlace Referência: Slides extraídos do material dos professores Jim Kurose e Keith Ross relativos ao livro “Redes de Computadores e a Internet – Uma abordagem top- down”, segunda e terceira edições Alterações nos slides, incluindo sequenciamento, textos, figuras e novos slides, foram realizadas conforme necessidade

2 Camada de enlace: definindo o contexto
fluxo real de PDUs Roteador R1 protocolo de enlace Roteador R2 Roteador R3 Roteador R3 Roteador R4

3 Camada de enlace: definindo o contexto
dois elementos físicos fisicamente conectados: host-roteador, roteador-roteador, host-host unidade de dados: quadro (frame) aplicação transporte rede enlace física rede enlace física M H t n l protocolo de enlace H l H t n M quadro enlace físico placa adaptadora

4 Serviços da Camada de Enlace
Enquadramento, acesso ao enlace: encapsula datagramas em quadros, acrescentando cabeçalhos e trailer implementa acesso ao canal se o meio é compartilhado ‘endereços físicos’ usados nos cabeçalhos dos quadros para identificar a fonte e o destino dos quadros diferente do endereço IP ! Entrega confiável entre dois equipamentos fisicamente conectados: já aprendemos como isto deve ser feito (transporte)! raramente usado em enlaces com baixa taxa de erro (fibra, alguns tipos de par trançado) enlaces sem-fio (wireless): altas taxas de erro Q: porque prover confiabilidade fim-a-fim e na camada de enlace?

5 Serviços da Camada de Enlace (cont.)
Controle de Fluxo: limitação da transmissão entre transmissor e receptor Detecção de Erros: erros causados pela atenuação do sinal e por ruídos. o receptor detecta a presença de erros: avisa o transmissor para reenviar o quadro perdido Correção de Erros: o receptor identifica e corrige o bit com erro(s) sem recorrer à retransmissão

6 Implementação: Camada de Enlace
implementado no “adaptador” ex., placa PCMCIA, placa Ethernet tipicamente inclui: RAM, chips DSP, interface com barramento do host, e interface do enlace aplicação transporte rede enlace física rede enlace física M H t n l protocolo de enlace H l H t n M quadro enlace físico placa adaptadora

7 Detecção de Erros EDC = Bits de Detecção e Correção de Erros (redundancia) D = Dados protegidos pela verificação de erros, pode incluir os campos de cabeçalho A detecção de erros não é 100% confiável! protocolos podem deixar passar alguns erros, mas é raro Quanto maior o campo EDC melhor é a capacidade de detecção e correção de erros

8 Verificação de Redundância Cíclica
encara os bits de dados, D, como um número binário escolhe um padrão gerador de r+1 bits, G objetivo: escolher CRC bits, R, tal que <D,R> é divisível de forma exata por G receptor conhece G, divide <D,R> por G. Se o resto é diferente de zero: erro detectado! pode detectar todos os erros em seqüência (burst errors) com comprimento menor que r+1 bits largamente usado na prática (ATM, HDCL, Ethernet) padrão de bits fórmula matemática bits de dados a enviar

9 Enlaces de Acesso Múltiplo e Protocolos
Três tipos de enlaces: ponto-a-ponto (fio único, ex. PPP, SLIP) broadcast (fio ou meio compartilhado; ex, Ethernet, Wavelan, etc.) switched (ex., switched Ethernet, ATM etc)

10 Protocolos de Acesso Múltiplo
canal de comunicação único e compartilhado duas ou mais transmissões pelos nós: interferência apenas um nó pode transmitir com sucesso num dado instante de tempo protocolo de múltiplo acesso: algoritmo distribuído que determina como as estações compartilham o canal, isto é, determinam quando cada estação pode transmitir comunicação sobre o compartilhamento do canal deve utilizar o própro canal! o que procurar em protocolos de múltiplo acesso: síncrono ou assíncrono informação necessária sobre as outras estações robustez (ex., em relação a erros do canal) desempenho

11 Protocolos MAC (acesso ao meio): uma taxonomia
Três grandes classes: Particionamento de canal dividem o canal em pedaços menores (compartimentos de tempo, freqüência) aloca um pedaço para uso exclusivo de cada nó Acesso Aleatório permite colisões “recuperação” das colisões Passagem de Permissão compartilhamento estritamente coordenado para evitar colisões Objetivo: eficiente, justo, simples, descentralizado

12 Protocolos MAC com Particionamento de Canal: TDMA
TDMA: acesso múltiplo por divisão temporal acesso ao canal é feito por ”turnos" cada estação controla um compartimento (“slot”) de tamanho fixo (tamanho = tempo de transmissão de pacote) em cada turno compartimentos não usados são disperdiçados exemplo: rede local com 6 estações: 1,3,4 têm pacotes, compartimentos 2,5,6 ficam vazios TDM (Time Division Multiplexing): channel divided into N time slots, one per user; inefficient with low duty cycle users and at light load. FDM (Frequency Division Multiplexing): frequency subdivided.

13 Protocolos MAC com Particionamento de Canal: FDMA
FDMA: acesso múltiplo por divisão de freqüência o espectro do canal é dividido em bandas de freqüência cada estação recebe uma banda de freqüência tempo de transmissão não usado nas bandas de freqüência é disperdiçado exemplo: rede local com 6 estações: 1,3,4 têm pacotes, as bandas de freqüência 2,5,6 ficam vazias tempo bandas de freqüência

14 Particionamento de Canal (CDMA)
CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Códigos) um código único é atribuído a cada usuário (“chipping sequence”), isto é, o código define o particionamento muito usado em canais broadcast, sem-fio (celular, satelite,etc) todos os usuários usam a mesma freqüência, mas cada usuário tem a sua própria maneira de codificar os dados. sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence) decodificação: produto interno do sinal codificado e da seqüência de codificação (“chipping sequence”) permite que múltiplos usuários “coexistam” e transmitam simultaneamente com mínima interferência os códigos que minimizam a interferência são chamados “ortogonais”

15 Protocolos de Acesso Aleatório
Quando o nó tem um pacote a enviar: transmite com toda a taxa do canal R. não há uma regra de coordenação a priori entre os nós dois ou mais nós transmitindo -> “colisão”, Protocolo MAC de acesso aleatório especifica: como detectar colisões como as estações se recuperam das colisões (ex., via retransmissões atrasadas) Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório: slotted ALOHA ALOHA CSMA e CSMA/CD

16 CSMA: Carrier Sense Multiple Access
CSMA: escuta antes de transmitir: Se o canal parece vazio: transmite o pacote Se o canal está ocupado, adia a transmissão CSMA Persistente: tenta outra vez imediatamente com probabilidade p quando o canal se torna livre (pode provocar instabilidade) CSMA Não-persistente: tenta novamente após um intervalo aleatório

17 CSMA/CD (Detecção de Colisão)
CSMA/CD: detecção de portadora, deferência como no CSMA colisões detectadas num tempo mais curto transmissões com colisões são interrompidas, reduzindo o disperdício do canal retransmissões persistentes ou não-persistentes detecção de colisão: fácil em LANs cabeadas: medição da intensidade do sinal, comparação dos sinais transmitidos e recebidos difícl em LANs sem fio: receptor desligado enquanto transmitindo

18 Protocolos MAC com Passagem de Permissão
Polling: nó mestre “convida” os escravos a transmitirem um de cada vez Mensagens Request to Send e Clear to Send problemas: polling overhead latência ponto único de falha (mestre) Token passing: controla um token passado de um nó a outro sequencialmente. mensagem token problemas: token overhead latência ponto único de falha (token)

19 Endereços de LAN e ARP Endereços IP de 32-bit:
endereços da camada de rede usados para levar o datagrama até a rede de destino (lembre da definição de rede IP) Endereço de LAN (ou MAC ou físico): usado para levar o datagrama de uma interface física a outra fisicamente conectada com a primeira (isto é, na mesma rede) Endereços MAC com 48 bits (na maioria das LANs) gravado na memória fixa (ROM) do adaptador de rede

20 Endereços de LAN e ARP Cada adaptador numa LAN tem um único endereço de LAN

21 Lembre a discussão anterior sobre roteamento
Começando em A, dado que o datagrama está endereçado para B (endereço IP): procure rede.endereço de B, encontre B em alguma rede, no caso igual à rede de A camada de enlace envia datagrama para B dentro de um quadro da camada de enlace A B E endereço de origem e destino do quadro endereço de origem e destino do pacote endereço MAC de B end. MAC de A end. IP de A end. IP de B dados IP datagrama quadro

22 ARP: Address Resolution Protocol (Protocolo de Resolução de Endereços)
Questão: como determinar o endereço MAC de B dado o endereço IP de B? Cada nó IP (Host, Roteador) numa LAN tem um módulo e uma tabela ARP Tabela ARP: mapeamento de endereços IP/MAC para alguns nós da LAN < endereço IP; endereço MAC; TTL> < ………………………….. > TTL (Time To Live): tempo depois do qual o mapeamento de endereços será esquecido (tipicamente 20 min)

23 Protocolo ARP A conhece o endereço IP de B, quer aprender o endereço físico de B A envia em broadcast um pacote ARP de consulta contendo o endereço IP de B todas as máquinas na LAN recebem a consulta ARP B recebe o pacote ARP, responde a A com o seu (de B) endereço de camada física A armazena os pares de endereço IP-físico até que a informação se torne obsoleta (esgota a temporização) soft state: informação que desaparece com o tempo se não for re-atualizada

24 Ethernet Tecnologia de rede local “dominante” :
barato R$30 por 100Mbps! primeira tecnologia de LAN largamente usada Mais simples, e mais barata que LANs com token e ATM Velocidade crescente: 10, 100, 1000 Mbps Esboço da Ethernet por Bob Metcalf

25 Estrutura do Quadro Ethernet
Adaptador do transmissor encapsula o datagrama IP (ou outro pacote de protocolo da camada de rede) num quadro Ethernet Preâmbulo: 7 bytes com padrão seguido por um byte com padrão usado para sincronizar as taxas de relógio do transmissor e do receptor

26 Estrutura do Quadro Ethernet (mais)
Endereços: 6 bytes, quadro é recebido por todos os adaptadores e descartado se o endereço do quadro não coincide com o endereço do adaptador Tipo: indica o protocolo da camada superior, geralmente é o protocolo IP mas outros podem ser suportados tais como Novell IPX e AppleTalk) CRC: verificado no receptor, se um erro é detectado, o quadro é simplesmente descartado.

27 10BaseT e 100BaseT taxa de 10/100 Mbps; chamado mais tarde de “fast ethernet” T significa “Twisted Pair” (par trançado) Os nós se conectam a um hub (ou switch) por um meio físico em “par trançado”, portanto trata-se de uma “topologia em estrela” CSMA/CD implementado no hub

28 10BaseT e 100BaseT (mais) Máxima distância do nó ao hub é de 100 metros Hub pode disconectar um adaptador que não para de transmitir (“jabbering adapter”) Hub can coletar e monitorar informações e estatísticas para apresentação ao administradores da LAN

29 Ethernet Switches Transmissão em camada 2 (quadros) com filtragem usando endereços de LAN Switching: A-para-B a A’-para-B’ simultaneamente, sem colisões grande número de interfaces muitas vezes: hosts individuais são conectados em estrela no switch (1 host para cada porta) Ethernet, mas sem colisões!

30 Ethernet Switches cut-through switching: o quadro é enviado da entrada para a saída sem esperar pela montagem do quadro inteiro pequena redução da latência combinações de interfaces de 10/100/1000 Mbps, dedicadas e compartilhadas

31 IEEE Wireless LAN wireless LANs: rede sem fio (frequentemente móvel) padrão IEEE : protocolo MAC espectro de freqüência livre: 900Mhz, 2.4Ghz Basic Service Set (BSS) (igual a uma “célula”) contém: wireless hosts access point (AP): estação base BSS’s se combinam para formar um sistema distribuído (DS)

32 Redes Ad Hoc Rede Ad hoc: estações IEEE podem dinamicamente formar uma rede sem AP Aplicações: “laptop” encontrando-se numa sala de conferência, interconexão de equipamentos “pessoais” , rodovia inteligente campo de batalha IETF MANET (Mobile Ad hoc Networks) working group

33 Controle de Enlace Ponto-a-Ponto
Um transmissor, um receptor, um link: mais fácil que um enlace broadcast: não há Controle de Acesso ao Meio não há necessidade de endereçamento MAC explícito ex., enlace discado, linha ISDN protocolos ponto-a-ponto populares para camada de enlace: PPP (point-to-point protocol) HDLC: High level data link control (A camada de enlace costumava ser considerada de alto nível na pilha de protocolos!)

34 PPP Formato do Quadro [RFC 1557]
Flag: delimitador (enquadramento) Endereço: não tem função (apenas uma opção futura) Controle: não tem função; no futuro é possível ter múltiplos campos de controle Protocolo: indica o protocolo da camada superior ao qual o conteúdo do quadro deve ser entregue (ex. PPP-LCP, IP, IPCP, etc.) endereço controle tamanho variável ou CRC

35 PPP Formato dos dados [RFC 1557]
info: dados da camada superior sendo transportados CRC: verificação de redundância cíclica para detecção de erros negociação de endereço da camada de rede: os pontos terminais do enlace podem aprender e configurar o endereço de rede de cada outro endereço controle tamanho variável ou CRC

36 Meios Físicos Twisted Pair (TP) dois fios de cobre isolados
Categoria 3: taxas de transmissão até 10 Mbps Categoria 5 : 100Mbps ethernet enlace físico: meio de transmissão de sinais físicos que representam a informação meios guiados: os sinais se propagam me meios sólidos com caminho fixo: cobre, fibra meios não guiados: propagação livre: ex. rádio

37 Meio Físico: coaxial, fibra
Cabo Coaxial: núcleo de fio (portador de sinal) dentro de uma blindagem de fio (shield) bandabase: um único sinal presente no cabo broadband: multiplos sinais no cabo bidirecional uso comum em redes de 10Mbs Ethernet Cabo de fibra óptica: fibra de vidro transportando pulsos de luz alta velocidade de operação: 100Mbps Ethernet alta velocidade com transmissão ponto-a-ponto (e.g., 5 Gps) baixa taxa de erros e imunidade a ruídos

38 Meio Físico: radio Tipos de canais de rádio: não há fios físicos
sinal transportado como campo eletromagnético não há fios físicos bidirecional o ambiente afeta a propagação: reflexão obstrução por objetos interferência Tipos de canais de rádio: microwave canais de até 155 Mbps LAN (e.g., waveLAN) 2Mbps, 11Mbps wide-area (e.g., celular) e.g. CDPD, 10’s Kbps satélite até 50Mbps por canal (ou vários canais menores) 270 ms de atrado fim-a-fim geosynchronous versus LEOS