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Teleprocessamento e Redes Capítulo 3: Camada de Enlace Prof. Fábio M. Costa INF / UFG.

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1 Teleprocessamento e Redes Capítulo 3: Camada de Enlace Prof. Fábio M. Costa INF / UFG

2 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 2 Introdução Estudo de técnicas e algoritmos para se obter comunicação confiável e eficiente entre duas máquinas conectadas por um canal direto – através de um cabo (par trançado, coaxial, etc.) – através de uma linha telefônica – etc. Propriedade essencial do canal: – Bits são entregues na mesma ordem em que foram enviados

3 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 3 Introdução (2) Problemas envolvidos – Erros introduzidos nos meios de transmissão – Taxa de transmissão limitada – Atrasos de propagação Protocolos da camada de enlace devem tratar tais problemas, fornecendo à camada superior (camada de rede) a ilusão de um canal perfeito (ou quase)

4 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 4 Posicionamento da camada de enlace Rede Enlace Física Rede Enlace Física Rede Enlace Física Rede Enlace Física Rede Enlace Física Enlace Física Enlace Física

5 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 5

6 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 6 Unidades de transmissão de dados: Nomenclatura utilizada Camada de Transporte: Mensagens Camada de Rede: Pacotes Camada de Enlace: Quadros Camada Física: Bits

7 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 7 Aspectos de projeto Tipo do serviço provido à camada de rede Enquadramento (delimitação) dos dados transmitidos Controle de erros Controle de fluxo

8 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 8 Serviço provido à camada de rede

9 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 9 Tipos de serviço Serviço sem conexão e sem reconhecimento Serviço sem conexão, com reconhecimento Serviço orientado a conexões e com reconhecimento

10 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 10 Serviço sem conexão e sem reconhecimento Unidades de transmissão de dados (quadros) independentes são enviados da máquina origem para a máquina destino Sem que a máquina destino envie de volta o reconhecimento da recepção dos quadros Perda de quadros (p. ex., devido a erros de transmissão) não é tratada Apropriado quando – Taxa de erros é muito baixa – Tráfego em tempo-real

11 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 11 Serviço sem conexão, com reconhecimento (Acknowledgement) Quadros transmitidos independentemente uns dos outros Cada quadro é individualmente reconhecido pela máquina destino da transmissão – Reconhecimento: quadro especial transmitido de volta para a máquina origem da transmissão, informando que um quadro foi recebido com sucesso – Reconhecimento negativo: quadro não foi recebido ou foi recebido com erros

12 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 12 Serviço sem conexão, com reconhecimento (2) Caso um reconhecimento não chegue após um certo tempo (a contar do instante em que o quadro foi transmitido inicialmente): – Timeout – Quadro é retransmitido Entretanto: – Se o quadro de reconhecimento em si for perdido, o quadro de dados original será retransmitido, gerando uma duplicação (que pode ser indesejável) Serviço apropriado quando o meio de transmissão (canal) é essencialmente não confiável – i.e., altas taxas de erros – Ex.: meios de transmissão sem-fio

13 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 13 Considerações sobre reconhecimentos Acknowledgements (Acks) podem também ser providos pelas camadas superiores – Ex.: camada de transporte (nível 4) Entretanto, provê-los apenas nos níveis superiores pode não ser eficiente. Exemplo: – Protocolo de transporte trabalha com mensagens longas Fragmentadas em múltiplos quadros para transmissão através do serviço da camada de enlace – Implicações da perda de uma mensagem: Somente seria detectada após um tempo considerável Uma grande quantidade de dados precisaria ser retransmitida devido a, por exemplo, um erro apenas um quadro

14 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 14 Considerações sobre reconhecimentos (2) Provê-los no nível da camada de enlace pode ser mais eficiente – No exemplo anterior, apenas um quadro seria retransmitido (não a mensagem completa) – Operação dirigida por hardware (implementação da camada de enlace na placa de rede) Acknowledgements podem ainda ser providos (redundantemente) na camada de transporte – Para um nível de confiabilidade maior Por exemplo, para lidar com falhas de roteamento de pacotes na rede – Ex.: o protocolo TCP utilizado na Internet

15 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 15 Serviço orientado a conexões, com reconhecimento Uma conexão deve ser estabelecida antes que dados possam ser transmitidos – Representa um contexto de comunicação bem delimitado Quadros são transmitidos dentro do contexto de uma conexão – As mesmas propriedados são aplicadas a todos os quadros pertencentes a uma conexão – Quadros de uma conexão são numerados em seqüência

16 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 16 Serviço orientado a conexões, com reconhecimento (2) Garantias fornecidas pelo serviço – Cada quadro enviado será, de fato, recebido Quadros não são perdidos – Cada quadro será recebido apenas uma vez Não ocorre a duplicação de quadros Graças à numeração em seqüência dos quadros – Quadros são recebidos na mesma ordem em que foram enviados Também conseqüência da numeração dos quadros Permite à camada de redes assumir que o meio de transmissão subjacente é inteiramente confiável

17 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 17 Serviço orientado a conexões: Fases na comunicação (no nível de enlace) Estabelecimento da conexão – Inicialização de variáveis e alocação de buffers em ambos os lados da conexão Para ter controle sobre os quadros transmitidos, recebidos, retransmitidos, etc. Pode envolver um acordo sobre os parâmetros de transmissão (taxa de dados, atrasos máximos, etc.) Transmissão de dados Liberação da conexão – Recursos alocados à conexão (buffers, variáveis, etc.) são liberados

18 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 18 Procedimentos envolvidos na comunicação: Exemplo de um roteador

19 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 19 Procedimentos envolvidos na comunicação 1. Quadro é recebido em um roteador 2. Hardware verifica checksum (detecção de erros) e repassa o quadro para o software da camada de enlace 3. Camada de enlace verifica se o quadro recebido é realmente o quadro esperado – Ex.: verifica se o quadro está na ordem correta 4. Caso afirmativo, camada de enlace extrai o pacote de dentro do quadro e o entrega ao software da camada de rede para roteamento 5. Software de roteamento escolhe a linha de saída apropriada e repassa o pacote para o software de camada de enlace responsável por aquela linha

20 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 20 Unidades de dados transmitidas nas várias camadas Quadros Pacotes Mensagens

21 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 21 Delimitação de quadros Camada física: dados são transmitidos como seqüências de bits não estruturadas – Transmissão sujeita a erros Camada de enlace: impor uma estrutura aos dados a serem transmitidos – Facilitando o tratamento de tais erros Abordagem básica: – Agrupar os bits em quadros distintos – Calcular um checksum dos dados, o qual é verificado no destino para detectar possíveis erros

22 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 22 Delimitação de quadros: Abordagens Separação dos quadros sucessivos através de lacunas de silêncio – Não-confiável Atrasos de transmissão podem fazer com que as lacunas desapareçam ou que lacunas indesejáveis sejam inseridas, danificando a separação dos quadros Métodos mais confiáveis: – Contagem de caracteres – Caracteres de início e fim de quadro – Flags de início e fim de quadro – Uso de códigos inválidos

23 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 23 Delimitação de quadros: Contagem de caracteres Cabeçalho do quadro contém um campo especificando o número de caracteres nele contidos Receptor conta os caracteres recebidos para determinar o fim de um quadro (e o início do próximo) Problema fundamental: – Erros de transmissão podem mudar o valor do campo que contém o número de caracteres Receptor incapaz de se re-sincronizar

24 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 24 Delimitação de quadros: Contagem de caracteres (2)

25 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 25 Delimitação de quadros: Caracteres de início e fim Início e fim de quadro demarcado com caracteres ASCII especiais – DLE + STX: início – DLE + ETX: fim DLE = Data Link Escape STX = Start of TeXt ETX = End of TeXt Na ocorrência de erros, o receptor pode se re-sincronizar procurando pelo próximo par DLE-STX ou DLE-ETX

26 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 26 Delimitação de quadros: Caracteres de início e fim (2) Problema na transmissão de dados binários ou numéricos – Ocorrência acidental de um padrão de bits idêntico ao par de caracteres delimitadores – Interpretação errônea do fim (ou início) de quadro Solução: character stuffing – Camada de enlace no transmissor insere um caracter DLE antes do caracter DLE acidental Resultado: DLEs falsos no meio dos dados sempre aparecem em pares (ao contrário dos DLEs verdadeiros) – Receptor (camada de enlace) remove o caracter DLE introduzido (antes de repassar os dados à camada de rede)

27 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 27 Delimitação de quadros: Caracteres de início e fim (3)

28 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 28 Delimitação de quadros: Caracteres de início e fim (4) Desvantagem fundamental: – O mecanismo de construção dos quadros (e sua transmissão) é dependente do código de caracteres utilizado (ASCII) – Impede o uso de códigos de caracteres mais modernos Tais como UNICODE, que é fundamental para a internacionalização dos dados transmitidos ASCII é voltado apenas para as necessidades das línguas ocidentais (mais especificamente, do Inglês)

29 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 29 Delimitação de quadros: Bits de início e fim de quadro Permite que quadros contenham um número arbitrário de bits O código de caracteres utilizado é irrelevante Padrão de bits delimitador (flag): – Demarca início e fim de quadro Princípio básico: Bit stuffing – Sempre que o transmissor encontrar cinco bits 1 consecutivos no meio dos dados, um bit 0 é automaticamente inserido Impede que a seqüência delimitadora ocorra nos dados

30 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 30 Delimitação de quadros: Bits de início e fim de quadro (2) Bit stuffing (cont.) – No receptor, sempre que se detectar cinco bits 1 consecutivos seguidos de um bit 0, este último é automaticamente deletado Pois foi inserido artificialmente Exemplo: – Dados originais: – Dados transmitidos: Transparente para a camada de rede – Stuffing bits são removidos antes de repassar os dados para a camada de rede

31 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 31 Delimitação de quadros: Bits de início e fim de quadro (3)

32 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 32 Delimitação de quadros: Uso de códigos inválidos da camada física Apenas aplicável quando o esquema de codificação de bits para transmissão (na camada física) contém redundância – Isto é, alguns dos possíveis códigos são inválidos como dados – Utilizados para detectar condições excepcionais Exemplo: Em redes locais – Bit 1: high-low (nível alto seguido por nível baixo) – Bit 0: low-high – High-high e low-low são inválidos como dados Podem então ser usados como delimitadores

33 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 33 Delimitação de quadros: Combinção de técnicas Contagem de caracteres empregada em conjunto com bits (ou caracteres) delimitadores Maior segurança na delimitação dos quadros – O fim de um quadro só é confirmado (e o quadro tido como válido) se: Atingiu-se o número de caracteres esperado, e Encontrou-se o caracter / flag delimitador – Além disso, o conteúdo do quadro (i.e., um pacote) só será entregue à camada de rede se: não houver erro no checksum ou na ordem do quadro (ver a seguir)

34 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 34 Controle de erros Erros não-recuperáveis – i.e., que não podem ser corrigidos no receptor A camada de enlace deve tratar os seguintes problemas: – Quadros perdidos Ex.: devido a ruídos na transmissão – Quadros recebidos com erros de checksum que não possam ser corrigidos – Quadros recebidos fora de ordem – Perda de quadros de reconhecimento E, em conseqüência, a duplicação de quadros Especialmente em serviços orientados a conexão

35 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 35 Controle de erros (2) Quadros de reconhecimentos (acknowledgement) Receptor informa ao transmissor o estado do quadro recebido: – ACK: positivo – o quadro chegou sem problemas transmissor prossegue normalmente – NACK: negativo – o quadro chegou, mas com erro o quadro deve ser re-transmitido 1 Ack 1 2 Nack 2 2 Ack 2 3 Transmissor Receptor

36 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 36 Controle de erros (3) Problema: Quadros perdidos devido a erros de transmissão – O quadro não é recebido de forma alguma portanto, NACK não será enviado pelo receptor Transmissor poderia ficar bloqueado para sempre à espera do reconhecimento Solução: Uso de temporizadores – Permite que o transmissor atribua um limite máximo (timeout) ao tempo que esperará por um reconhecimento de um quadro pelo receptor

37 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 37 Controle de erros (4) Uso de temporizadores (cont.) – Ao enviar um quadro o transmissor dispara um temporizador Alarme soará (timeout) após um tempo considerado suficiente para – o quadro se propagar e ser recebido do outro lado – o receptor processar o quadro – o reconhecimento propagar de volta até o remetente – Caso o reconhecimento não chegue antes do timeout ocorrer Transmissor re-envia o quadro, assumindo que o mesmo não foi recebido do outro lado do enlace

38 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 38 Controle de erros (5) 1 Ack Ack 2 3 Transmissor Receptor timeout

39 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 39 Controle de erros (6) Mas e se um reconhecimento se perder? – Ocorrerá um timeout – Transmissor se comportará como se o quadro original houvesse sido perdido re-transmitirá uma duplicata o quadro! – O mesmo quadro será ser processado duas (ou mais) vezes pelo receptor cópias do mesmo pacote poderão ser passadas para a camada de rede como se fossem pacotes diferentes podendo gerar resultados indesejáveis – ex.: operações com o saldo de uma conta corrente)

40 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 40 Controle de erros (7) Solução: – Associar números de seqüência aos quadros – Receptor saberia se um quadro já foi recebido descarta duplicatas Esta solução é também válida para o problema da ordenação dos quadros: – um quadro somente é repassado à camada de rede se sua ordem estiver de acordo com seu número de seqüência 1 Ack Ack 2 3 Transmissor Receptor timeout Ack 2

41 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 41 Controle de fluxo Problema fundamental: – Quando a taxa de transmissão é superior à taxa em que o receptor pode processar os dados recebidos Processo transmissor reside em um computador mais rápido ou menos carregado que o computador onde reside o receptor – Receptor pode ficar inundado com quadros buffer overflow quadros começam a ser perdidos – mesmo que não haja erros de transmissão

42 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 42 Controle de fluxo (2) Solução genérica: – Regras para garantir o compasso entre o transmissor e o receptor – Exige alguma forma de feedback do receptor para o transmissor Protocolo que permite ao receptor informar quando (e o quanto de) dados ele está preparado para receber Exemplo: – Receptor informa ao transmissor que pode transmitir n quadros, após os quais deve parar até que o receptor o autorize a enviar mais quadros

43 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 43 Detecção e Correção de Erros Meios de transmissão comumente utilizados são sujeitos a erros – Ex.: sistema telefônico (loops locais) e meios de transmissão sem fio Duas possibilidades: – Correção de erros: técnicas que permitem detectar e corrigir bits errôneos em um quadro recebido – Detecção de erros: apenas detecta-se o erro, indicando a necessidade de retransmissão Obs.: Controle de erros (visto anteriormente) envolve os tratamentos necessários uma vez que um erro foi detectado (mas não corrigido)

44 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 44 Natureza de erros de transmissão Erros tendem a acontecer em rajadas – Ex.: um surto de ruído no meio pode causar a inversão de vários bits consecutivos Exemplo: – dados transmitidos em blocos de 1000 bits – taxa de erros de erro por bit (1 a cada 1000 bits) – erros independentes (isolados): comprometeriam a maior parte dos quadros – Vantagem de erros em rajada (ex.: 100 bits seguidos de cada vez): apenas um ou dois blocos em cada 100 seriam afetados (em média) – Por outro lado: erros em rajada são mais difíceis de se detectar e corrigir do que erros isolados

45 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 45 Códigos de correção de erros Transmissor inclui informação redundante o suficiente para permitir ao receptor deduzir quais foram os dados corretos transmitidos – Bits de redundância permitem determinar a posição do(s) bit(s) invertido(s) Bits errôneos são corrigidos antes que os dados sejam repassados para a camada de rede

46 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 46 Detecção e correção de erros: Distância de Hamming m bits de dados – mensagem r bits de redundância – bits de checagem palavra-código (codeword): mensagem + bits de checagem – comprimento: n = m + r Distância de Hamming entre duas palavras- código: – número de posições de bits nas quais as duas palavras diferem entre si – Ex.: e : dist. Hamming = 3 são necessários 3 erros de bit para transformar uma palavra na outra

47 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 47 Detecção e correção de erros: Distância de Hamming (2) 2 m mensagens válidas Nem todas as 2 n palavras-código são válidas – conjunto de todas as palavras-código: código Dado o algoritmo para computar os bits de checagem, é possível: – enumerar todas as palavras código válidas – encontrar as duas palavras-código cuja distância de Hamming é mínima (dentro do código) Distância de Hamming do código em si

48 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 48 Detecção e correção de erros: Distância de Hamming (3) As propriedades de detecção e correção de erros de um código dependem da sua distância de Hamming Para detectar d erros: código com distância d + 1 – não há como d erros converterem uma palavra-código válida em outra palavra-código também válida Para corrigir d erros: código com distância 2d + 1 – mesmo com d bits errôneos, a palavra-código original ainda estará mais próxima da palavra recebida do que qualquer outra palavra correta pode ser deduzida unicamente

49 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 49 Exemplo: Detecção de erros com bit de paridade Um bit adicional é adicionado ao bloco de bits a ser transmitido de forma que a soma total dos bits 1 seja par (ou ímpar) Exemplo: dados originais = – paridade par: – paridade ímpar: Distância de Hamming do código = 2 – Apenas um erro de bit: gera uma palavra-código ilegal (com a paridade incorreta) – Permite detectar erros de um único bit

50 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 50 Correção de erros: Exemplo Código com as seguintes palavras-código válidas: – , , , Distância de Hamming do código = 5 – Capaz de corrigir erros duplos (dois bits) Ex.: palavra recebida: – Receptor deduz que a palavra correta é – Mas se o erro for de três bits, convertendo a palavra em , o erro não será corrigido corretamente! Não há como ter certeza disto (pode-se apenas fazer suposições, com base em observações, sobre os tipos de erros característicos em um determinado sistema)

51 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 51 Código de correção de erros: Aspectos gerais de projeto (exemplo) Correção de erros simples (de 1 único bit) Tamanho da mensagem: m bits – 2 m mensagens válidas Número de bits de checagem: r – Total de bits em uma palavra-código: n = m + r – 2 n palavras-código (i.e., padrões de bits possíveis) Para cada palavra-código válida: – n palavras ilegais (a uma distância 1 da palavra válida) – Portanto: Cada palavra válida requer n+1 padrões de bits dedicados a ela – Logo, o número mínimo de check bits necessários é dado por: (n + 1)2 m 2 n ou: (m + r + 1) 2 r

52 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 52 Código de correção de erros: Código de Hamming Numera-se os bits seqüencialmente – Começando com o bit 1 como o bit mais à esquerda Bits numerados como potências de 2 (ex.: 1, 2, 4, 8, 16, etc.) representam os r check bits Demais bits (3, 5, 6, 7, 9, etc.) representam os m bits de dados Cada check bit determina a paridade de um sub-conjunto dos bits da palavra-código – O mesmo check bit pode estar envolvido na paridade de vários sub-conjuntos de bits

53 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 53 Código de correção de erros: Código de Hamming (2) Para determinar os check bits que fazem a verificação de um determinado bit de dados na posição k: – Re-escrever k como uma soma de potências de 2 Exemplos: – k = 11 = bit 11 é checado pelos bits 1, 2 e 8 – k = 29 = bit 29 é checado pelos bits 1, 4, 8 e 16 Transmissor calcula cada check bit e os insere na palavra-código a ser transmitida

54 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 54 Código de correção de erros: Código de Hamming (3) Ao receber uma palavra-código, o receptor – Inicializa um acumulador (em zero) – Examina cada check bit k (k = 1, 2, 4, 8,...) para determinar se o mesmo tem a paridade correta – Se paridade do check bit k está incorreta: Adiciona k ao acumulador – Se, ao final, o valor do acumulador for zero Não houve erro na palavra recebida – Se o valor do acumulador for diferente de zero: Acumulador contém o número do bit errôneo – Ex.: check bits 1, 2 e 8 estão com paridade incorreta: bit 11 foi invertido (é o único bit checado pelos bits 1, 2 e 8)

55 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 55 Código de correção de erros: Código de Hamming - exemplo Blocos de dados transmistidos: 7 bits 4 check bits: 1, 2, 4, 8 Bits de dados: 3, 5, 6, 7, 9, 10, BitChecado por 31, 2 51, 4 62, 4 71, 2, 4 BitChecado por 91, 8 102, 8 111, 2, 8

56 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 56 Código de correção de erros: Código de Hamming – exemplo

57 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 57 Código de Hamming: Correção de surtos de erros Grupo de k palavras-código a serem transmitidas – Arranjadas como uma matriz k x n Transmitir os dados coluna por coluna Uma rajada de erros de até k bits afetaria, no máximo um bit em cada palavra-código Código de Hamming em cada palavra-código seria usado para corrigir cada erro individual Resultado: múltiplos ( k) erros consecutivos corrigidos com kr check bits

58 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 58 Códigos de Detecção de Erros Correção de erros é aplicável (prática) quando – O canal de transmissão é simplex Retransmissões não são possíveis – Os atrasos de transmissão são muito grandes Ex.: conexões de satélite ou enlaces interplanetários Na maioria das situações comuns, contudo, detecção seguida de retransmissão é mais eficiente – Em geral, detecção de erros e retransmissões geram menos bits de overhead do que códigos de correção de erros Assumindo que erros ocorrem esporadicamente

59 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 59 Códigos de detecção de erros: Modelo fundamental

60 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 60 Detecção de erros: Bits de paridade Confiabilidade 100% apenas nos casos de erros isolados – 1 bit para cada bloco protegido por um bit de paridade Para erros em rajada (vários bits no mesmo bloco): – Probabilidade de acerto de apenas 50% Melhoria: – Organizar os dados a serem transmitidos como uma matriz (k linhas x n colunas) – Última linha: bits de paridade Paridade coluna-por-coluna Cada bit de paridade checa uma posição de bit em cada linha – Capaz de corrigir rajadas de erros de até n bits – Ver exemplo a seguir

61 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 61 Detecção de erros: Bits de paridade (2) Bits de Paridade Ordem de transmissão (uma linha de cada vez) k = 7 linhas n = 8 colunas Capaz de detectar surtos de erros de até 8 bits

62 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 62 Detecção de erros: Códigos polinomiais Checagem de Redundância Cíclica (CRC) Um quadro (seqüência de bits) a ser transmitido é visto como um polinômio M(x) binário (i.e., com coeficientes 0 e 1 apenas) – Ex.: x 5 + x 4 + x 0 ou: x 5 + x Polinômio gerador: G(x) – Utilizado para a geração de um checksum (CRC) a ser concatenado ao final de cada quadro original – Polinômio resultante, M(x) + checksum, deve ser divisível por G(x)

63 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 63 Detecção de erros: Códigos polinomiais – Algoritmo de geração Concatenar um número de bits 0 (equivalente ao grau r do polinômio gerador) ao final do quadro a ser transmitido – resultando no polinômio x r M(x) Dividir (módulo 2) o polinômio resultante por G(x) Subtrair (módulo 2) o resto da divisão acima da seqüência de bits correspondente ao polinômio x r M(x) O resultado é o quadro com checksum a ser transmitido

64 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 64 Detecção de erros: Códigos polinomiais – Exemplo Quadro original: Gerador: (x 4 + x + 1 => grau 4) Quadro após adicionar 4 bits: – Resto da divisão: – ( dividido por ) Quadro transmitido:

65 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 65 Detecção de erros: Códigos polinomiais – Eficiência Tipos de erros detectados: – Erros de um único bit (100%) – Erros duplos (desde que G(x) tenha pelo menos três bits 1) – Qualquer número ímpar de erros (desde que G(x) contenha um fator x + 1) – Qualquer surto de erros cujo comprimento (entre o primeiro e o último bits invertidos) seja menor que o comprimento do polinômio gerador – A maior parte dos erros de rajada (probabilidade de não detectar: 1/2 r ) Implementação simples e eficiente por hardware – Registradores de deslocamento e portas XOR

66 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 66 Detecção de erros: Códigos polinomiais padronizados CRC-12: X 12 + x 11 + x 3 + x 2 + x – Transmissão de seqüências de caracteres de 6 bits – Gera CRCs de 12 bits CRC-16: X 16 + X 15 + X – Transmissão de seqüências de caracteres de 8 bits – Gera CRCs de 16 bits CRC-CCITT: X 16 + X 12 + X – Idem (Europa) CRC-16 e CRC-CCITT: eficiência – Todos os erros de 1 ou 2 bits – Todos os erros de um número ímpar de bits – Todos os surtos de erros de até 16 bits – 99,997% dos surtos de erros de 17 bits – 99,998% dos surtos de erros de 18 bits ou mais

67 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 67 Protocolos de Enlace Elementares Três protocolos em ordem crescente de complexidade – Um protocolo simplex irestrito uma série de suposições (não-realistas) que simplificam o projeto do protocolo – Um protocolo simplex do tipo stop-and-wait controle de fluxo básico – Um protocolo simplex com controle de erros mais realista, reconhece que o canal de comunicação é sujeito a erros

68 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 68 Protocolos de Enlace Elementares: O modelo de comunicação Camadas física, enlace e redes – implementadas através de processos independentes, por exemplo: camadas física e enlace: hardware da placa de rede camada de rede: processo executando na CPU – comunicam-se entre si através de mensagens (comunicação inter-processo) Camada Física Camada de Enlace Camada de Rede NIC – Network Interface Card CPU

69 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 69 Protocolos de Enlace Elementares: O modelo de comunicação (2) Transmissão simplex – do computador A para o computador B apenas – (em protocolos mais sofisticados: duplex) Camada de rede (em A) sempre tem dados a transmitir – suprimento de dados infinito – esta suposição será removida à medida em que protocolos mais sofisticados são apresentados Pacotes da camada de rede são tratados puramente como dados pela camada de enlace (inclusive o cabeçalho do pacote)

70 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 70 Protocolos de Enlace Elementares: O modelo de comunicação (3) Camada de Rede Camada de Enlace Camada Física H Data H H to_physical_layer() T Encapsula pacotes em quadros Adiciona cabeçalho e trailer Calcula checksum antes de transmitir o quadro No transmissor: from_network_layer()

71 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 71 Protocolos de Enlace Elementares: O modelo de comunicação (4) Camada de Rede Camada de Enlace Camada Física H Data H H from_physical_layer() T No Receptor: Verifica checksum Sinaliza chegada do quadro (evento) Checa cabeçalho para detectar qualquer problema Extrai o pacote e o repassa à camada de rede to_network_layer()

72 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 72 Protocolos de Enlace Elementares: O modelo de comunicação (5) Camada de enlace no receptor: – Loop infinito aguardando por eventos – Procedure wait_for_event( &event ) retorna quando algo acontece (ex.: chegada de um quadro) – Vários tipos de eventos dependente de protocolo Exemplos: chegada de quadro, erro de checksum, timeout, etc. – Ao receber um evento (ex.: chegada de um quadro), a camada de enlace deve processá-lo Ex.: chama from_physical_layer() para obter o quadro

73 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 73 Protocolos de Enlace Elementares: Definições básicas

74 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 74 Protocolos de Enlace Elementares: Definições básicas (2)

75 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 75 Protocolos de Enlace Elementares: Estruturas de dados #define MAX_PKT 1024 – tamanho máximo de um quadro typedef enum {false, true} boolean; typedef unsigned int seq_nr; – número de seqüência atribuído aos quadros – 0 a MAX_SEQ (dependente de protocolo) – contagem circular (0, 1, 2,... MAX_SEQ, 0, 1,...) typedef struct{unsigned char data[MAX_PKT];}packet; – unidade de dados trocada entre a camada de rede e a camada de enlace

76 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 76 Protocolos de Enlace Elementares: Estruturas de dados (2) typedef enum{data, ack, nak}frame_kind; – tipo do quadro (dados ou controle) typedef struct { frame_kind kind; seq_nr seq; seq_nr ack; packet info; } frame; – quadro propriamente dito – seq : número de seqüência do quadro – ack : acknowledgement – info : pacote encapsulado (vazio se quadro de controle)

77 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 77 Protocolos de Enlace Elementares: Rotinas comuns wait_for_event(event_type &event); from_network_layer(packet *p); – chamada pela camada de enlace para aceitar pacotes (da camada de rede) a serem transmitidos to_network_layer(packet *p); – chamada pela camada de enlace para passar pacotes recebidos para a camada de rede to_physical_layer(frame *s); e from_physical_layer(frame *s); – interface com a camada física

78 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 78 Protocolos de Enlace Elementares: Rotinas comuns (2) start_timer(seq_nr k); – dispara um temporizador para detectar a ocorrência de timeouts (ex.: p/ ack de um quadro) – um temporizador para cada quadro pendente stop_timer(seq_nr k); – interrompe a contagem do temporizador quando o evento esperado ocorreu (ex.: quadro chegou antes do timeout) start_ack_timer(void); e stop_ack_timer(void); – uso semelhante em situações especiais

79 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 79 Protocolos de Enlace Elementares: Rotinas comuns (3) enable_network_layer(void); – utilizada em protocolos mais sofisticados (com controle de fluxo e que não assumem a constância do fluxo de dados) – quando habilitada, a camada de rede pode interromper a camada de enlace para avisar que há pacotes a serem transmitidos evento network_layer_ready – a camada de enlace então invoca from_network_layer para obter o pacote disable_network_layer(void); – desabilita a camada de rede (não permitindo novas interrupções – para evitar que a camada de rede tente transmitir pacotes além da capacidade da camada de enlace

80 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 80 Protocolos de Enlace Elementares: Rotinas comuns (4) #define inc(k) if (k < MAX_SEQ) k = k + 1; else k = 0 – macro utilizada para incrementar números de seqüência circularmente – MAX_SEQ é definido por cada protocolo Todas as definições básicas são contidas no arquivo protocol.h – incluído (#include ) pela implementação de cada protocolo

81 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 81 Um protocolo simplex irrestrito Suposições básicas: – dados são transmitidos apenas de A para B – camada de rede no transmissor sempre tem dados a transmitir ao ser invocada pela camada de enlace (através de from_network_layer ) – camada de rede no receptor sempre está pronta para receber dados ao ser invocada pela camada de enlace (através de to_network_layer ) – tempos de processamento (nas camadas) é ignorado

82 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 82 Um protocolo simplex irrestrito (2) Suposições básicas (cont.): – Buffers com capacidade infinita nas camadas – Canal de comunicação 100% confiável nunca corrompe ou perde quadros Suposições não-realistas, mas que simplificam a implementação deste primeiro protocolo estudado – números de seqüência ou reconhecimentos (acks) não são necessários – único evento possível: chegada de quadro (sem erros) – apenas um tipo de pacote: de dados

83 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 83 Um protocolo simplex irrestrito: Transmissor typedef enum{frame_arrival} event_type; #include protocol.h void sender1(void){ frame s; packet buffer; while(true){ from_network_layer(&buffer); s.info = buffer; to_physical_layer(&s);}

84 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 84 Um protocolo simplex irrestrito: Receptor void receiver1(void){ frame r; event_type event; while(true){ wait_for_event(&event); from_physical_layer(&r); to_network_layer(&r.info); }

85 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 85 Um protocolo simplex Stop-and-Wait Removendo a seguinte restrição: – receptor com capacidade infinita de processamento/ armazenamento de quadros Ainda assumindo um canal livre de erros e tráfego de dados em uma só direção Problema a ser resolvido: – prevenir que o transmissor inunde o receptor com uma taxa dados maior do que ele é capaz de consumir Solução: feedback do receptor para o transmissor indicando quando se pode transmitir mais quadros

86 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 86 Protocolo simplex Stop-and-Wait: Transmissor typedef enum{frame_arrival} event_type; #include protocol.h void sender2(void){ frame s; packet buffer; event_type event; while(true){ from_network_layer(&buffer); s.info = buffer; to_physical_layer(&s); wait_for_event(&event);}

87 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 87 Protocolo simplex Stop-and-Wait: Receptor void receiver2(void){ frame r, s; event_type event; while(true){ wait_for_event(&event); from_physical_layer(&r); to_network_layer(&r.info); to_physical_layer(&s); }

88 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 88 Um protocolo simplex para um canal sujeito a erros Quadros podem ser danificados ou perdidos – Quadros danificados: detectados pelo hardware ao calcular o checksum – Quadros perdidos: excede-se o prazo para receber o Acknowledgement Solução simplista: – Uso de timeout no protocolo anterior – Não funciona: Sender Receiver Dados Ack timeout Duplicata! p/ camada de rede

89 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 89 Um protocolo simplex para um canal sujeito a erros (2) Solução mais elaborada: – Uso de números de seqüência no cabeçalho de cada quadro de dados enviado Stop-and-wait com timeout e números de seqüencia Receptor pode distingüir quadros novos de retransmissões Acknowledgements: quadros vazios (ver posteriormente) Detalhe: Tamanho dos números de seqüência – Influencia na quantidade de overhead carregada em cada quadro de dados – É necessário ao receptor distinguir apenas entre um quadro e o próximo (stop-and-wait significa que há apenas um quadro em trânsito em um dado instante) – Portanto: 1 bit apenas neste caso: 0, 1, 0, 1,...

90 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 90 Um protocolo simplex para um canal sujeito a erros (3) Protocolos deste tipo são conhecidos como: – ARQ – Automatic Repeat Request, ou – PAR – Positive Aknowledgement with Retransmission Sender Receiver timeout Dados Ack p/ camada de rede

91 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 91 Um protocolo simplex para um canal sujeito a erros (4) Outro detalhe: duração do intervalo de timeout deve ser corretamente ajustada – Suficiente para: Propagação do quadro até o receptor Processamento do quadro e geração do Ack no receptor Propagação do Ack (quadro de controle) até o transmissor – Problema se este intervalo for subestimado: Sender Receiver timeout 0 1 Dados Ack p/ camada de rede 0 Falha do protocolo: transmissor pensa que este quadro foi recebido ok.

92 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 92 Protocolo ARQ simplex: Definições /* Protocol 3 */ #define MAX_SEQ 1 typedef enum {frame_arrival, cksum_error, timeout} event_type; #include protocol.h

93 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 93 void sender3(void){ seq_nr next_frame_to_send; frame s; packet buffer; event_type event; next_frame_to_send = 0; from_network_layer(&buffer); while(true){ s.info = buffer; s.seq = next_frame_to_send; to_physical_layer(&s); start_timer(s.seq); wait_for_event(&event); if (event == frame_arrival) { /* chegou ACK */ from_network_layer(&buffer); inc(next_frame_to_send); }

94 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 94 void receiver3(void){ seq_nr frame_expected; frame r,s; event_type event; frame_expected = 0; while(true){ wait_for_event(&event); if(event == frame_arrival){ from_physical_layer(&r); if (r.seq == frame_expected){ to_network_layer(&r.info); inc(frame_expected); } to_physical_layer(&s); /* envia ACK */ }

95 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 95 void sender3(void){ seq_nr next_frame_to_send; frame s; packet buffer; event_type event; next_frame_to_send = 0; from_network_layer(&buffer); while(true){ s.info = buffer; s.seq = next_frame_to_send; to_physical_layer(&s); start_timer(s.seq); wait_for_event(&event); if (event == frame_arrival) { from_physical_layer(&s); if (s.ack == next_frame_to_send){ from_network_layer(&buffer); inc(next_frame_to_send); } Ack com número de seqüência! O mesmo protocolo, agora com números de seqüência no Acknowledgement (transmissor)

96 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 96 void receiver3(void){ seq_nr frame_expected; frame r,s; event_type event; frame_expected = 0; while(true){ wait_for_event(&event); if(event == frame_arrival){ from_physical_layer(&r); if (r.seq == frame_expected){ to_network_layer(&r.info); inc(frame_expected); } s.ack = 1 – frame_expected; to_physical_layer(&s); } Ack com número de seqüência! O mesmo protocolo, agora com números de seqüência no Acknowledgement (receptor)

97 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 97 Protocolos de Janela Deslizante (Sliding Window) Conceitos básicos Protocolo de janela deslizante de 1 bit Protocolo Go Back n Protocolo com repetição seletiva Removendo mais uma das suposições: – Protocolos full-duplex Um circuito físico full-duplex ou dois circuitos simplex Mantém-se a suposição de que a camada de rede sempre tem pacotes a transmitir

98 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 98 Piggybacking Problema: Reconhecimentos (Acks) consomem recursos da rede – um quadro transmitido para cada Ack Solução: Enviar reconhecimentos de carona em quadros de dados transmitidos no sentido oposto ao do quadro reconhecido – Aguarda-se até que haja um quadro de dados a ser transmitido para então enviar o Ack – Caso demore muito, enviar o Ack em quadro separado – para evitar timeout do transmissor

99 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 99 O conceito de janela deslizante Cada quadro (e cada reconhecimento) contém um número de seqüência Janela de transmissão – Números de seqüência dos quadros que podem ser transmitidos Ex.: – Quadros transmitidos mas com Ack pendente Janela de recepção – Números de seqüência dos quadros que o receptor pode aceitar Ex.:

100 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 100 O conceito de janela deslizante (2) As duas janelas são atualizadas (deslizadas) a cada quadro transmitido / recebido Janela de transmissão – quadro transmitido: incrementa limite superior – Ack recebido: incrementa limite inferior quadros são mantidos em buffer até receber Ack Janela de recepção – quadro recebido com número de seq. dentro da janela: quadro é aceito, Ack é enviado, janela é deslizada – quadro só é passado para a camada de rede quando seu número for igual ao primeiro número de seq. na janela – quadro recebido com número de seq. fora da janela: quadro é simplesmente descartado

101 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 101 O conceito de janela deslizante: Janela de tamanho 1

102 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 102 Protocolo 4: Janela Deslizante de 1 bit Cenário ideal Notação: (seq, ack, packet number)

103 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 103 Protocolo 4: Janela Deslizante de 1 bit Cenário anômalo A e B iniciam o envio de quadros simultaneamente Protocolo não comete erros Entretanto, metade dos quadros transmitidos são duplicatas

104 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 104 Protocolo 4: Janela deslizante de 1 bit #define MAX_SEQ 1 /* must be 1 for protocol 4 */ typedef enum {frame_arrival, cksum_err, timeout} event_type; #include "protocol.h void protocol4 (void) { seq_nr next_frame_to_send; /* 0 or 1 only */ seq_nr frame_expected; /* 0 or 1 only */ frame r, s; /* scratch variables */ packet buffer; /* current packet being sent */ event_type event; next_frame_to_send = 0; /* next frame on the outbound stream */ frame_expected = 0; /* number of frame arriving frame expected */ from_network_layer(&buffer); /* fetch a packet from the network layer */ s.info = buffer; /* prepare to send the initial frame */ s.seq = next frame_to_send; /* insert sequence number into frame */ s.ack = 1 – frame_expected; /* piggybacked ack */ to_physical_layer(&s); /* transmit the frame */ start_timer(s.seq); /* start the timer running */

105 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 105 Protocolo 4: Janela deslizante de 1 bit (2) while (true) { wait_for_event(&event); /* frame_arrival, cksum_err, or timeout */ if (event == frame_arrival) {/* a frame has arrived undamaged. */ from_physical_layer(&r); /* go get it */ if (r.seq == frame_expected) { /* Handle inbound frame stream. */ to_network_layer(&r.info); /* pass packet to network layer */ inc(frame_expected); /* invert sequence number expected next */ } if (r.ack == next_frame_to_send) { /* handle outbound frame stream. */ from_network_layer(&buffer); /* fetch new pkt from network layer */ inc(next_frame_to_send); /* invert senders sequence number */ } s.info = buffer; /* construct outbound frame */ s.seq = next_frame_to_send; /* insert sequence number into it */ s.ack = 1 – frame_expected; /* seq number of last received frame */ to_physical_layer(&s); /* transmit a frame */ start_timer(s.seq); /* start the timer running */ } } /* End protocol4 */

106 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 106 Eficiência de utilização Stop-and-wait apresenta sérios problemas de eficiência de utilização da capacidade do enlace Exemplo: link de satélite usando o protocolo 4 – Taxa de dados: 50Kbps; RTT = 500ms – Tempo de transmissão: 20ms – Recepção do quadro (receptor): 270ms – Recepção do reconhecimento (transmissor): 520ms – Transmissor ficou bloqueado durante 500/520 = 96% do seu tempo -> 4% de utilização da capacidade disponível Stop-and-wait é inapropriado quando temos: – RTT muito alto – Alta largura de banda – Quadros de tamanho pequeno

107 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 107 Solução: Múltiplos quadros enviados antes de bloquear o transmissor Permite-se ao transmissor enviar até w quadros antes que o primeiro reconhecimento seja recebido – w calculado em função do RTT – Preenchendo o máximo da capacidade do enlace (lembrança: produto delayXbandwidth) No exemplo anterior: – w = 26 (RTT=520 dividido pelo tempo de transmissão = 20) – Após enviar o 26o. quadro, Acks chegarão a cada 20ms, dando permissão para transmitir mais um quadro

108 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 108 Protocolo de janela deslizante de 3 bits ©Stallings 2000

109 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 109 Protocolo usando Go Back n O que fazer quando um dos quadros transmitidos é perdido? Solução 1: Go Back n – Retransmitir todos os quadros posteriores ao quadro perdido, inclusive Após timeout do quadro perdido – Receptor com janela de tamanho 1 Isto é, sem espaço de buffer para guardar quadros – Lembre-se de que o receptor não pode passar quadros fora de ordem para a camada de rede

110 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 110 Protocolo usando Go Back n: Exemplo

111 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 111 Protocolo usando Go Back n: Detalhes de projeto Buffers de transmissão: quadros com Ack pendente devem ser armazenados temporariamente no transmissor (um buffer para cada quadro) – Buffers são liberados à medida em que Acks são recebidos – Um Ack pode liberar um ou mais buffers A camada de rede não possui um suprimento contínuo de pacotes – Ela interrompe a camada de enlace quando há pacotes – Camada de rede pode ser desabilitada quando a janela de transmissão está cheia – A cada Ack recebido, um ou mais buffers podem ser liberados e novos pacotes podem ser aceitos da camada de rede

112 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 112 Protocolo usando Go Back n: Detalhes de projeto (2) Números de seqüência dos quadros – De 0 a MAX_SEQ – Implicam que, no máximo, MAX_SEQ quadros podem estar com Ack pendente em um dado instante – MAX_SEQ+1 números de seqüência para impedir que Acks sejam mal interpretados: Transmissor envia quadros 0 a 7 Transmissor recebe Ack do quadro 7 Transmissor envia os próximos 8 quadros (0 a 7) Outro Ack para o quadro 7 é recebido – O que aconteceria se o segundo grupo de 8 quadros fosse perdido?

113 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 113 Protocolo usando Go Back n: Detalhes de projeto (3) Temporizadores independentes devem ser associados a cada quadro transmitido – Cada quadro tem um período de timeout próprio – Temporizadores lógicos são usados Com um único relógio físico

114 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 114 Protocolo 5 – Go Back n #define MAX_SEQ 7/* should be 2ˆn - 1 */ typedef enum {frame_arrival, cksum_err, timeout, network_layer_ready} event_type; #include "protocol.h" static boolean between(seq_nr a, seq_nr b, seq_nr c) { /* Return true if (a <=b < c circularly; false otherwise. */ if (((a <= b) && (b < c)) || ((c < a) && (a <= b)) || ((b < c) && (c < a))) return(true); else return(false); }

115 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 115 static void send_data(seq_nr frame_nr, seq_nr frame_expected, packet buffer[]) { /* Construct and send a data frame. */ frame s; /* scratch variable */ s.info = buffer[frame_nr]; /* insert packet into frame */ s.seq = frame_nr; /* insert sequence number into frame */ /* piggyback ack */ s.ack = (frame_expected + MAX_SEQ) % (MAX_SEQ + 1); to_physical_layer(&s); /* transmit the frame */ start_timer(frame_nr); /* start the timer running */ }

116 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 116 void protocol5(void) { seq_nr next_frame_to_send; seq_nr ack_expected; /* oldest frame as yet unacknowledged */ seq_nr frame_expected; /* next frame expected (inbound stream) */ frame r; /* scratch variable */ packet buffer[MAX_SEQ + 1]; /* buffers for the outbound stream */ seq_nr nbuffered;/* # output buffers currently in use */ seq_nr i; /* used to index into the buffer array */ event_type event; enable_network_layer(); /* allow network_layer_ready events */ ack_expected = 0;/* next ack expected inbound */ next_frame_to_send = 0; /* next frame going out */ frame_expected = 0; /* number of frame expected inbound */ nbuffered = 0; /* initially no packets are buffered */

117 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 117 while (true) { wait_for_event(&event); /* four possibilities: see event_type above */ switch(event) { case network_layer_ready: /* network layer has a packet to send */ /* Accept, save, and transmit a new frame. */ /* fetch new packet */ from_network_layer(&buffer[next_frame_to_send]); /* expand the senders window */ nbuffered = nbuffered + 1; /* transmit frame */ send_data(next_frame_to_send, frame_expected, buffer); /* advance senders upper window edge */ inc(next_frame_to_send); break;

118 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 118 case frame_arrival: /* a data or control frame has arrived */ from_physical_layer(&r);/* get frame from physical layer */ if (r.seq == frame_expected) { /* Frames are accepted only in order. */ to_network_layer(&r.info); /* pass packet to network layer */ inc(frame_expected); /* advance lower edge of receivers window */ } /* Ack n implies n - 1, n - 2, etc. Check for this. */ while (between(ack_expected, r.ack, next_frame_to_send)) { /* Handle piggybacked ack. */ nbuffered = nbuffered - 1; /* one frame fewer buffered */ stop_timer(ack_expected); /* frame arrived ok; stop timer */ inc(ack_expected); /* contract senders window */ } break;

119 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 119 case cksum_err: break; /* just ignore bad frames */ case timeout: /* trouble; retransmit all outstanding frames */ next_frame_to_send = ack_expected; /* start retransm. here */ for (i = 1; i <= nbuffered; i++) { /* resend 1 frame */ send_data(next_frame_to_send, frame_expected, buffer); inc(next_frame_to_send); /* prepare to send the next one */ } } /* end switch statement */ if (nbuffered < MAX_SEQ) enable_network_layer(); else disable_network_layer(); } /* end while */ } /* end protocol5() */

120 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 120 Protocolo de janela deslizante usando Repetição Seletiva Alternativa para o protocolo 5 quando – erros são freqüentes – receptor possui espaço de buffer suficiente Receptor aceita quadros recebidos fora de ordem, armazenando-os temporariamente – Até que possa entregá-los (em ordem) à camada de rede – Não descarta os quadros subseqüentes quando um quadro anterior for perdido ou danificado Isto é: receptor com janela maior que 1 – Um buffer para cada quadro que pode aceitar

121 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 121 Protocolo de janela deslizante usando Repetição Seletiva

122 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 122 Protocolo com repetição seletiva: Detalhes de projeto A faixa de números de seqüência deve ser grande o suficiente – O dobro do tamanho da janela – Evitar que duas janelas sucessivas se sobreponham O que poderia causar erros no protocolo Número de buffers necessários: equivale ao tamanho da janela – Um buffer para cada número de seqüência – Bit para marcar se o buffer está cheio ou vazio – Um temporizador para cada buffer

123 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 123 Protocolo com repetição seletiva: Detalhes de projeto (2) Quadros de reconhecimento Vs. Piggybacking – Caso não haja um quadro de dados a ser transmitido, o Ack pode ser enviado em um quadro de controle independente – Receptor só espera por um pacote da camada de rede por um certo tempo (ack_timeout) – Ack_timeout deve ser menor que o timeout para quadros de dados

124 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 124 Protocolo com repetição seletiva: Detalhes de projeto (3) Reconhecimentos negativos (NAK) – Requisição para retransmissão de um quadro – Quando o receptor suspeita de um erro Quadro perdido Quadro recebido com erro de CRC – Melhoram o desempenho global quando o tempo necessário para um quadro ser reconhecido não pode ser determinado com precisão

125 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 125 Protocolo com repetição seletiva: Detalhes de projeto (4) Determinando qual quadro causou um timeout – Evento de timeout não diz explicitamente a que quadro ele se refere – Quadros são transmitidos em seqüência, um após o outro Ao se transmitir cada quadro, um temporizador é disparado – Quadros mais antigos expiram (timeout) mais cedo – Logo, um evento de timeout refere-se ao quadro mais antigo

126 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 126 Leitura Complementar Protocolo 6 (Figura 3-18, Tanenbaum) Applet animado ilustrando o protocolo de janelas deslizantes: – darmstadt.de/projects/iteach/itbeankit/Applets/Sliding_ Window/sliding_window.html

127 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 127 Camada de Enlace na Internet Enlaces ponto-a-ponto de longa distância – Isto é, os protocolos de enlace utilizados na sub-rede de comunicações Enlaces entre usuários e provedores – Linha dedicada, linha discada

128 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 128 SLIP – Serial Line IP (RFC 1055) Quadro: pacote IP + flag de fim de quadro – Byte marcador de fim de quadro (flag): 0xC0 – Uso de caracteres de enchimento (0xDB, 0xDC) caso o flag apareça no meio do pacote a ser tranmitido – Se 0xDB aparecer no meio do pacote, insere-se outro 0xDB Compressão de cabeçalho TCP e IP – RFC 1144

129 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 129 SLIP: Limitações Não faz detecção ou correção de erros Suporta apenas o protocolo IP Não permite a atribuição dinâmica de endereços IP Não provê autenticação Múltiplas versões existem (não é um padrão aprovado pelo IETF)

130 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 130 PPP – Point-to-Point Protocol (RFC 1661) Vantagens sobre o SLIP: – Deteção de erros – Encapsulamento de múltiplos protocolos de camada de rede – Negociação de endereços IP durante o estabelecimento da conexão – Autenticação Aplicações: – Conexões de linha discada (usuário-provedor) – Conexões de linha dedicada (roteador-roteador) Ex.: sobre uma linha física SONET/SDH

131 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 131 PPP: Serviços providos Formatação e delimitação de quadros Protocolo de controle de enlace – LCP (Link Control Protocol) – Ativação do circuito físico – Teste do circuito – Negociação de opções – Desativação do circuito NCP (Network Control Protocol) – Negociação de opções da camada de rede – Independente do protocolo de rede utilizado Um NCP para cada protocolo de rede diferente

132 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 132 PPP: Exemplo de uso Conectando um PC à Internet através de um provedor de acesso

133 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 133 PPP: Exemplo de uso 1. Estabelecimento da conexão física – Entre o PC e o roteador do provedor de acesso – Através de um modem em cada lado 2. PC envia uma seqüência de pacotes LCP – Encapsulados em um ou mais quadros PPP – Negociação dos parâmetros do protocolo PPP 3. PC e roteador trocam uma série pacotes NCP – Também encapsulados em quadros PPP – Associação de um endereço IP ao PC

134 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 134 PPP: Exemplo de uso (2) 4. PC funciona como um host na Internet – Pode enviar e receber pacotes IP – Encapsulados em quadros PPP 5. Ao final da sessão: – Protocolo NCP é usado para desfazer a conexão (no nível de rede), liberando o endereço IP – Protocolo LCP é usado para fechar a conexão de enlace 6. PC instrui o modem para liberar o circuito físico

135 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 135 PPP: Formato dos quadros Protocolo orientado a caracteres Delimitação de quadros: – Caracter (byte) especial usado para delimitar o início e fim de cada quadro – Character stuffing: caso o caracter delimitador apareça no meio do quadro Campo de endereço: (todas as estações) – Endereço padrão (evita ter que associar endereços de enlace)

136 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 136 PPP: Formato dos quadros (2) Campo de controle – Valor default: – quadro não numerado – Por default, PPP não provê transmissão confiável, com números de seqüência e reconhecimentos – RFC 1663: Especifica o uso de números de seqüência Para ambientes susceptíveis a ruídos Campos de endereço e de controle, se default, podem ser omitidos – opção negociada via protocolo LCP

137 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 137 PPP: Formato dos quadros (3) Campo de Protocolo – Especifica o tipo do pacote encapsulado no campo Payload do quadro PPP – Códigos padrão definidos para os protocolos LCP, NCP, IP, IPX, AppleTalk, entre outros – Primeiro bit: 0 – protocolo da camada de rede 1 – protocolo de negociação (LCP ou um dos vários NCPs) – Tamanho do campo: 1 ou 2 (default) bytes, negociável c/ LCP

138 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 138 PPP: Formato dos quadros (4) Campo de Payload – Tamanho variável – Tamanho máximo: negociado através do protocolo LCP Default: 1500 bytes Campo de Checksum – 2 ou 4 bytes de CRC, negociável usando LCP

139 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 139 PPP: Diagrama de estados

140 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFGCapítulo 3: Camada de Enlace 140 PPP: Protocolo utilizado na fase de negociação (LCP) – tipos de pacotes


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