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Cap. 5: Camada de Enlace Camada de Enlace Teleprocessamento e Redes Instituto de Informática – UFG Prof. Fábio M. Costa (slides baseados em [Kurose&Ross2003])

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1 Cap. 5: Camada de Enlace Camada de Enlace Teleprocessamento e Redes Instituto de Informática – UFG Prof. Fábio M. Costa (slides baseados em [Kurose&Ross2003])

2 Cap. 5: Camada de Enlace Capítulo 5: A Camada de Enlace Nossos objetivos: r entender os princípios por trás dos serviços da camada de enlace: m detecção e correção de erros m compartilhando um canal broadcast: acesso múltiplo m endereçamento da camada de enlace (endereço físico) m transferência de dados confiável, controle de fluxo: já visto! r instanciação e implementação de várias tecnologias da camada de enlace Visão Geral: r serviços da camada de enlace r detecção de erros, correção r protocolos de acesso múltiplo e LANs r endereçamento da camada de enlace, ARP r tecnologias específicas da camada de enlace: m Ethernet m hubs, pontes, switches m WLANs IEEE m PPP m ATM

3 Cap. 5: Camada de Enlace Camada de enlace: definindo o contexto fluxo real de PDUs Roteador R1 Roteador R4 Roteador R3 Roteador R2 protocolo de enlace

4 Cap. 5: Camada de Enlace r dois elementos físicos fisicamente conectados: m host-roteador, roteador-roteador, host-host r unidade de dados: quadro (frame) aplicação transporte rede enlace física rede enlace física M M M M H t H t H n H t H n H l M H t H n H l quadro enlace físico protocolo de enlace placa adaptadora Camada de enlace: definindo o contexto

5 Cap. 5: Camada de Enlace Serviços da Camada de Enlace r Enquadramento, acesso ao enlace: m encapsula datagramas em quadros, acrescentando cabeçalho e cauda (trailer) m implementa acesso ao canal se o meio é compartilhado m endereços físicos usados nos cabeçalhos dos quadros para identificar a fonte e o destino dos quadros diferente do endereço IP ! r Entrega confiável entre dois equipamentos fisicamente conectados: m já aprendemos como isto deve ser feito (capítulo 3)! m raramente usado em enlaces com baixa taxa de erro (fibra ótica e alguns tipos de par trançado) m enlaces sem-fio (wireless): altas taxas de erro Q: por que prover confiabilidade fim-a-fim e na camada de enlace?

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

7 Cap. 5: Camada de Enlace Implementação: Camada de Enlace r implementado no adaptador m ex., cartão de rede PCMCIA, placa Ethernet PCI m tipicamente inclui: RAM, chips DSP, interface com barramento do host (PCI), e interface com o enlace (ex.: UTP) aplicação transporte rede enlace física rede enlace física M M M M H t H t H n H t H n H l M H t H n H l quadro enlace físico protocolo de enlace placa adaptadora

8 Cap. 5: Camada de Enlace Detecção de Erros EDC= bits do Código de Detecção e Correção de Erros (redundância) 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 isto é raro Quanto maior o campo EDC melhor é a capacidade de detecção e correção de erros

9 Cap. 5: Camada de Enlace Verificação de Paridade Paridade com um único Bit: Detecta erro de um único bit Paridade Bi-dimensional: Detecta e corrige erros de um único bit 0 0 sem erros erro de paridade erro de 1 bit corrigível erro de paridade bit de paridade

10 Cap. 5: Camada de Enlace Checksum da Internet Sender: r trata o conteúdo de segmentos como seqüências de números inteiros de 16 bits r checksum : adição (soma em complemento de um) do conteúdo do segmento r transmissor coloca o valor do checksum no campo checksum do UDP/TCP Receptor: r computa o checksum do segmento recebido r verifica se o checksum calculado é igual ao valor do campo checksum: m NÃO - erro detectado m SIM - não detectou erro. Mas talvez haja erros apesar disso. Mais detalhes mais tarde… Objetivo: detectar erros (ex. bits trocados) num segmento transmitido (nota: usado apenas na camada de trasnporte – para o payload)

11 Cap. 5: Camada de Enlace Verificação de Redundância Cíclica r encara os bits de dados, D, como um número binário r escolhe um padrão gerador de r+1 bits, G r objetivo: escolhe r bits de CRC, R, tal que m é divisível de forma exata por G (módulo 2) m receptor conhece G, divide por G. Se o resto é diferente de zero: erro detectado! m pode detectar todos os erros em seqüência (erros em rajada) com comprimento menor que r+1 bits r largamente usado na prática (ATM, HDLC) padrão de bits fórmula matemática bits de dados a enviar

12 Cap. 5: Camada de Enlace Exemplo de CRC Desejado: D*2 r XOR R = nG equivalente a: D * 2 r = nG XOR R equivalente a: se nós dividimos D * 2 r por G, buscamos resto R R = resto[ ] D*2rGD*2rG

13 Cap. 5: Camada de Enlace Enlaces de Acesso Múltiplo e Protocolos Três tipos de enlaces: r ponto-a-ponto (cabo único, ex. PPP, SLIP) r broadcast (cabo ou meio compartilhado; ex, Ethernet, Wavelan, , etc.) r switched (ex., switched Ethernet, ATM, etc.)

14 Cap. 5: Camada de Enlace Protocolos de Acesso Múltiplo r canal de comunicação único e compartilhado r duas ou mais transmissões pelos nós: interferência m apenas um nó pode transmitir com sucesso num dado instante de tempo r protocolo de múltiplo acesso: m algoritmo distribuído que determina como as estações compartilham o canal; isto é, determinam quando cada estação pode transmitir m comunicação (de controle) sobre o compartilhamento do canal deve utilizar o própro canal! m 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

15 Cap. 5: Camada de Enlace Protocolos de Acesso Múltiplo r tese: as pessoas usam protocolos de múltiplo acesso o tempo todo r classe pode descobrir" protocolos de múltiplo acesso usado por pessoas m protocolo multiacesso 1: m protocolo multiacesso 2: m protocolo multiacesso 3: m protocolo multiacesso 4:

16 Cap. 5: Camada de Enlace Protocolos MAC: uma taxonomia Três grandes classes: r Particionamento de canal m dividem o canal em pedaços menores (compartimentos de tempo, freqüência) m aloca um pedaço para uso exclusivo de cada nó r Acesso Aleatório m permite colisões m recuperação das colisões r Passagem de Permissão m compartilhamento estritamente coordenado para evitar colisões Objetivo geral: eficiente, justo, simples, descentralizado

17 Cap. 5: Camada de Enlace Protocolos MAC com Particionamento de Canal: TDMA TDMA: acesso múltiplo por divisão temporal r acesso ao canal é feito por turnos" r cada estação controla um compartimento (slot) de tamanho fixo (tamanho = tempo de transmissão de pacote) em cada turno r compartimentos não usados são desperdiçados r exemplo: rede local com 6 estações: 1, 3 e 4 têm pacotes, compartimentos 2, 5 e 6 ficam vazios

18 Cap. 5: Camada de Enlace FDMA: acesso múltiplo por divisão de freqüência r o espectro do canal é dividido em bandas de freqüência r cada estação recebe uma banda de freqüência r tempo de transmissão não usado nas bandas de freqüência é desperdiçado r Ex.: rede local com 6 estações: 1, 3 e 4 têm pacotes, as bandas de freqüências 2, 5 e 6 ficam vazias bandas de freqüência tempo Protocolos MAC com Particionamento de Canal: FDMA

19 Cap. 5: Camada de Enlace Particionamento de Canal (CDMA) CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Códigos) r um código único é atribuído a cada usuário, isto é, o código define o particionamento r muito usado em canais de broadcast, sem-fio (celular, satélite, etc.) r todos os usuários usam a mesma freqüência, mas cada usuário tem a sua própria maneira de codificar os dados. Esta codificaçaõ é definida pelo código que o usuário recebe (chipping sequence) r sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence) r decodificação: produto interno do sinal codificado e da seqüência de codificação (chipping sequence) r permite que múltiplos usuários coexistam e transmitam simultaneamente com mínima interferência (os códigos utilizados são ditos ortogonais entre si)

20 Cap. 5: Camada de Enlace CDMA Codificação e Decodificação transmissor receptor

21 Cap. 5: Camada de Enlace CDMA: interferência de dois transmissores transmissores receptor 1

22 Cap. 5: Camada de Enlace Protocolos de Acesso Aleatório r Quando o nó tem um pacote a enviar: m transmite com toda a taxa do canal R. m não há uma regra de coordenação a priori entre os nós r dois ou mais nós transmitindo -> colisão, r Protocolo MAC de acesso aleatório especifica: m como detectar colisões m como as estações se recuperam das colisões (ex., via retransmissões atrasadas) r Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório: m slotted ALOHA m ALOHA m CSMA e CSMA/CD

23 Cap. 5: Camada de Enlace Slotted Aloha r tempo é dividido em compartimentos de tamanho igual (= tempo de transmissão de um pacote) r nó com pacote pronto: transmite no início do próximo compartimento r se houver colisão: retransmite o pacote nos futuros compartimentos com probabilidade p, até que consiga enviar. Compartimentos: Sucesso (S), Colisão (C), Vazio (E)

24 Cap. 5: Camada de Enlace Eficiência do Slotted Aloha P: qual a máxima fração de compartimentos com sucesso? R: Suponha que N estações têm pacotes para enviar m cada uma transmite num compartimento com probabilidade p m prob. sucesso de transmissão, S, é: por um único nó: S= p (1-p) (N-1) por qualquer um dos N nós S = Prob (apenas um transmite) = N p (1-p) (N-1) … escolhendo p ótimo quando N -> infinito... = 1/e =.37 quando N -> infinito No máximo: uso do canal para envio de dados úteis: 37% do tempo!

25 Cap. 5: Camada de Enlace ALOHA Puro (unslotted) r unslotted Aloha: operação mais simples, não há sincronização r pacote necessita transmissão: m enviar sem esperar pelo início de um compartimento r a probabilidade de colisão aumenta: m pacote enviado em t 0 colide com outros pacotes enviados em [t 0 -1, t 0 +1]

26 Cap. 5: Camada de Enlace Aloha Puro (cont.) P(sucesso por um dado nó) = P(nó transmite). P(outro nó não transmite em [t 0 -1,t 0 ]). P(outro nó não transmite em [t 0,t 0 +1]) = p. (1-p). (1-p) P(sucesso por um qualquer dos N nós) = N p. (1-p). (1-p) … escolhendo p ótimo quando n -> infinito... = 1/(2e) =.18 S = vazão = goodput (taxa de sucesso) G = carga oferecida = Np Pure Aloha Slotted Aloha protocolo limita a vazão efetiva do canal!

27 Cap. 5: Camada de Enlace CSMA: Carrier Sense Multiple Access CSMA: escuta antes de transmitir: r Se o canal parece vazio: transmite o pacote r Se o canal está ocupado, adia a transmissão m CSMA Persistente: tenta outra vez imediatamente com probabilidade p quando o canal se torna livre (pode provocar instabilidade) m CSMA Não-persistente: tenta novamente após um intervalo aleatório r analogia humana: não interrompa os outros!

28 Cap. 5: Camada de Enlace Colisões no CSMA colisões podem ocorrer: o atraso de propagação implica que dois nós podem não ouvir as transmissões de cada outro colisão: todo o tempo de transmissão do pacote é disperdiçado arranjo espacial dos nós na rede nota: papel da distância e do atraso de propagação na determinação da probabilidade de colisão. espaço tempo

29 Cap. 5: Camada de Enlace CSMA/CD (Detecção de Colisão) CSMA/CD: detecção de portadora, deferência como no CSMA m colisões detectadas num tempo mais curto m transmissões com colisões são interrompidas, reduzindo o desperdício do canal m retransmissões persistentes ou não-persistentes r detecção de colisão: m fácil em LANs cabeadas: medição da intensidade do sinal, comparação dos sinais transmitidos e recebidos m difícil em LANs sem fio: receptor desligado enquanto transmitindo r analogia humana: o bom-de-papo educado

30 Cap. 5: Camada de Enlace CSMA/CD detecção de colisão espaço tempo detecção de colisão/tempo de parada

31 Cap. 5: Camada de Enlace Protocolos MAC com Passagem de Permissão Protocolos MAC com particionamento de canais: m compartilham o canal eficientemente quando a carga é alta e bem distribuída m ineficiente nas cargas baixas: atraso no acesso ao canal. A estação consegue uma banda de 1/N da capacidade do canal, mesmo que haja apenas 1 nó ativo! Protocolos MAC de acesso aleatório m eficiente nas cargas baixas: um único nó pode usar todo o canal m cargas altas: excesso de colisões Protocolos de passagem de permissão buscam o melhor dos dois mundos!

32 Cap. 5: Camada de Enlace Protocolos MAC com Passagem de Permissão Polling: r nó mestre convida os escravos a transmitirem um de cada vez r Mensagens Request to Send e Clear to Send r problemas: m polling overhead m latência m ponto único de falha (mestre) Token passing: r controla um token passado de um nó a outro seqüencialmente. r mensagem de token r problemas: m token overhead m latência m ponto único de falha (token)

33 Cap. 5: Camada de Enlace Protocolos de Reserva Polling distribuído: r O tempo é dividido em compartimentos (slots) r começa com N compartimentos de reserva, mais curtos m tempo do compartimento de reserva é igual ao atrso de propagação fim-a-fim do canal m estação com mensagem a enviar faz uma reserva m reserva é vista por todas as estações r depois dos compartimentos de reserva ocorre a transmissão das mensagens ordenadas pelas reservas e pelas prioridades de transmissão reservamensagens

34 Cap. 5: Camada de Enlace Sumário dos protocolos MAC r Como se faz com um canal compartilhado? m Particionamento de canal, no tempo, por freqüência ou por código Divisão temporal, divisão por código, divisão por freqüência m Particionamento aleatório (dinâmico), ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD detecção de portadora: fácil em alguns meios físicos (cabos) e difícil em outros (wireless) CSMA/CD usado em redes Ethernet m Passagem de permissão polling a partir de um nó central, passagem de token

35 Cap. 5: Camada de Enlace Tecnologias de LAN Camada de enlace até agora: m serviços, detecção de erros/correção, acesso múltiplo A seguir: tecnologias de redes locais (LAN) m endereçamento m Ethernet m hubs, pontes, switches m m PPP m ATM

36 Cap. 5: Camada de Enlace Endereços de LAN e ARP Endereços IP de 32-bit: r endereços da camada de rede r usados para levar o datagrama até a rede de destino (lembre-se da definição de rede IP) Endereço de LAN (ou MAC ou físico): r usado para levar o datagrama de uma interface física a outra fisicamente conectada com a primeira (isto é, na mesma rede) r Endereços MAC com 48 bits (na maioria das LANs) gravado na memória fixa (ROM) do adaptador de rede

37 Cap. 5: Camada de Enlace Endereços de LAN e ARP Cada adaptador numa LAN tem um único endereço de LAN

38 Cap. 5: Camada de Enlace Endereços de LAN (cont.) r A alocação de endereços MAC é administrada pelo IEEE r O fabricante compra porções do espaço de endereço MAC (para assegurar a unicidade – duas placas de rede não podem ter o mesmo endereço MAC) r Analogia: (a) endereço MAC: semelhante ao número do RG (b) endereço IP: semelhante a um endereço postal r endereçamento MAC é plano (não estrut.) => portabilidade m é possível mover uma placa de LAN de uma rede para outra sem reconfiguração de endereço MAC r endereçamento IP hierárquico => NÃO portável m depende da rede na qual se está ligado

39 Cap. 5: Camada de Enlace Relembrando a discussão sobre roteamento A B E Começando em A, dado que o datagrama está endereçado para B (endereço IP): r procure rede.endereço de B, encontre B em alguma rede, no caso igual à rede de A r camada de enlace envia datagrama para B dentro de um quadro da camada de enlace endereço MAC de B end. MAC de A end. IP de A end. IP de B dados IP datagrama quadro endereço de origem e destino do quadro endereço de origem e destino do pacote

40 Cap. 5: Camada de Enlace ARP: Address Resolution Protocol ( Protocolo de Resolução de Endereços) r Cada nó IP (Host, Roteador) numa LAN tem um módulo e uma tabela ARP r Tabela ARP: mapeamento de endereços IP/MAC para alguns nós da LAN m TTL (Time To Live): tempo depois do qual o mapeamento de endereços será esquecido (tipicamente 20 min) Questão: como determinar o endereço MAC de B dado o endereço IP de B?

41 Cap. 5: Camada de Enlace Protocolo ARP r Estação A conhece o endereço IP da estação B, e quer aprender o endereço físico de B r A envia em broadcast um pacote ARP de consulta contendo o endereço IP de B m todas as máquinas na LAN recebem a consulta ARP r B recebe o pacote ARP, responde a A com o seu (de B) endereço de camada física r A armazena os pares de endereço até que a informação se torne obsoleta (esgota o tempo de vida) m soft state: informação que desaparece com o tempo se não for re-atualizada

42 Cap. 5: Camada de Enlace Roteamento para outra LAN caminho: roteamento de A para B via R r Na tabela de roteamento no Host de origem (A), encontra-se o roteador (p. ex., rota default) r Na tabela de ARP na origem (A), encontra o endereço MAC E6-E BB-4B A R B

43 Cap. 5: Camada de Enlace r A cria o pacote IP com origem A, destino B r A usa ARP para obter o endereço de camada física de R correspondente ao endereço IP r A cria um quadro Ethernet com o endereço físico de R como destino; o quadro Ethernet contém o datagrama IP de A para B r A camada de enlace de A envia o quadro Ethernet r A camada de enlace de R recebe o quadro Ethernet r R remove o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que ele se destina a B (que está na mesma rede que a segunda interface d R) r R usa ARP para obter o endereço físico de B r R cria quadro contendo o datagrama de A para B e o envia para B A R B


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