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5: Camada de Enlace 5a-1 Camada de Enlace e Redes Locais.

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1 5: Camada de Enlace 5a-1 Camada de Enlace e Redes Locais

2 5: Camada de Enlace 5a-2 Camada de Enlace: Introdução Alguma terminologia: hosts e roteadores são nós canais de comunicação que conectam nós adjacentes ao longo de um caminho de comunicação são enlaces/link enlaces cabeados enlaces sem fio (não cabeados) LANs Pacote da camada 2 é um quadro/frame, encapsula datagramas link a camada de enlace é responsável por transferir os datagramas entre nós adjacentes através do enlace

3 5: Camada de Enlace 5a-3 Protocolos da Camada de Enlace

4 5: Camada de Enlace 5a-4 Comunicação entre Adaptadores camada de enlace implementada no adaptador (NIC) placa Ethernet, cartão PCMCIA, cartão lado transmissor: Encapsula o datagrama em um quadro Adiciona bits de verificação de erro, transferência confiável de dados, controle de fluxo, etc. Lado receptor verifica erros, transporte confiável, controle de fluxo, etc. extrai o datagrama, passa- o para o nó receptor adaptador é semi-autônomo camadas de enlace e física nó transm. quadro nó receptor datagrama quadro adaptador Protocolo da camada de enlace

5 5: Camada de Enlace 5a-5 Enlaces e Protocolos de Acesso Múltiplo Três tipos de enlace: (a) Ponto-a-ponto (um cabo único) (b) Difusão (cabo ou meio compartilhado; p.ex., Ethernet, rádio, etc.) (c) Comutado (p.ex., E-net comutada, ATM, etc) Começamos com enlaces com Difusão. Desafio principal:Protocolo de Múltiplo Acesso

6 5: Camada de Enlace 5a-6 Protocolos de Acesso Múltiplo canal de comunicação único de difusão interferência: quando dois ou mais nós transmitem simultaneamente colisão se um nó receber dois ou mais sinais ao mesmo tempo Protocolo de acesso múltiplo algoritmo distribuído que determina como os nós compartilham o canal, isto é, determina quando um nó pode transmitir comunicação sobre o compartilhamento do canal deve usar o próprio canal! não há canal fora da faixa para coordenar a transmissão

7 5: Camada de Enlace 5a-7 Protocolos de Acesso Aleatório Quando nó tem um pacote para transmitir transmite na taxa máxima R. nenhuma coordenação a priori entre os nós dois ou mais nós transmitindo colisão, O protocolo MAC de acesso aleatório especifica: como detectar colisões como se recuperar delas (através de retransmissões retardadas, por exemplo) Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório: slotted ALOHA ALOHA CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

8 5: Camada de Enlace 5a-8 CSMA (Carrier Sense Multiple Access – Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora) CSMA: escuta antes de transmitir: Se o canal estiver livre: transmite todo o quadro Se o canal estiver ocupado, adia a transmissão Analogia humana: não interrompa outros!

9 5: Camada de Enlace 5a-9 Colisões no CSMA colisões ainda podem acontecer: atraso de propagação significa que dois nós podem não ouvir a transmissão do outro colisão: todo o tempo de transmissão é desperdiçado Disposição espacial dos nós nota: papel da distância e atraso de propagação na determinação da probabilidade de colisão

10 5: Camada de Enlace 5a-10 CSMA/CD (Detecção de Colisões) CSMA/CD: detecção da portadora, adia a transmissão como no CSMA As colisões são detectadas em pouco tempo Transmissões que sofreram colisões são abortadas, reduzindo o desperdício do canal Detecção de colisões: Fácil em LANs cabeadas: mede a potência do sinal, compara o sinal recebido com o transmitido Difícil em LANs sem fio: o receptor é desligado durante a transmissão Analogia humana: bate papo educado!

11 5: Camada de Enlace 5a-11 Detecção de colisões em CSMA/CD

12 5: Camada de Enlace 5a-12 Tecnologias de LAN Camada de enlace de dados até agora: serviços, detecção/correção de erros, acesso múltiplo A seguir: Tecnologias de rede local (LAN) Endereçamento Ethernet Hubs e switches PPP

13 5: Camada de Enlace 5a-13 Endereços MAC e ARP Endereço IP de 32 bits: Endereços da camada de rede usado para levar o datagrama à subrede IP destino Endereço MAC (ou LAN, ou físico, ou Ethernet): usado para levar o datagrama de uma interface até outra interface conectada fisicamente (da mesma rede) Endereço MAC de 48 bits (para a maioria das redes); queimado na ROM do adaptador

14 5: Camada de Enlace 5a-14 Endereços LAN e ARP Cada adaptador na LAN possui um endereço LAN único Endereço de Difusão = FF-FF-FF-FF-FF-FF = adaptador 1A-2F-BB AD D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E F7-2B LAN (cabeada or sem fio)

15 5: Camada de Enlace 5a-15 Endereço LAN (cont) Alocação de endereços MAC administrada pelo IEEE Um fabricante compra uma parte do espaço de endereços (para garantir unicidade) Analogia: (a) endereço MAC: como número do CPF (b) endereço IP: como endereço postal endereço MAC sem estrutura (flat)=> portabilidade Pode mover um cartão LAN de uma LAN para outra endereço IP hierárquico NÃO é portátil (requer IP móvel) Depende da subrede IP à qual o nó está conectado

16 5: Camada de Enlace 5a-16 ARP: Address Resolution Protocol (Protocolo de Resolução de Endereços) Cada nó IP (Host, Roteador) de uma LAN possui tabela ARP Tabela ARP: mapeamento de endereços IP/MAC para alguns nós da LAN TTL (Time To Live): tempo a partir do qual o mapeamento de endereços será esquecido (valor típico de 20 min) Pergunta: como obter o endereço MAC de B a partir do endereço IP de B? 1A-2F-BB AD D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E F7-2B LAN

17 5: Camada de Enlace 5a-17 Protocolo ARP: Mesma LAN (rede) A deseja enviar datagrama para B, e o endereço MAC de B não está na tabela ARP. A difunde o pacote de solicitação ARP, que contém o endereço IP de B Endereço MAC destino = FF-FF-FF-FF-FF-FF todas as máquinas na LAN recebem a consulta do ARP B recebe o pacote ARP, responde a A com o seu (de B) endereço MAC Quadro enviado para o endereço MAC (unicast) de A Uma cache (salva) o par de endereços IP-para-MAC na sua tabela ARP até que a informação fique antiquada (expire) soft state: informação que expira (vai embora) a menos que seja renovada ARP é plug-and-play: os nós criam suas tabelas ARP sem a intervenção do administrador da rede

18 5: Camada de Enlace 5a-18 Roteando um pacote para outra LAN passo a passo: envio de datagrama de A para B via R assuma que A conhece o endereço IP de B Duas tabelas ARP no roteador R, uma para cada rede IP (LAN) In routing table at source Host, find router In ARP table at source, find MAC address E6-E BB-4B, etc A R B

19 5: Camada de Enlace 5a-19 A cria datagrama com origem A, destino B A usa ARP para obter o endereço MAC de R para A cria quadro da camada de enlace com o endereço MAC de R como destino, quadro contém datagrama IP de A para B O adaptador de A envia o quadro O adaptador de R recebe o quadro R remove o datagrama IP do quadro Ethernet, verifica que é destinado para B R usa ARP para obter o endereço MAC de B R cria quadro contendo datagrama IP de A para B e o envia para B A R B

20 5: Camada de Enlace 5a-20 Ethernet Muitíssimo difundida porque: Muito barata! R$30 para placas 10/100Mbps! A mais antiga das tecnologias de rede local Mais simples e menos cara que redes usando ficha ou ATM Acompanhou o aumento de velocidade: 10 Mbps – 10 Gbps Rascunho de Metcalfe sobre o Ethernet

21 5: Camada de Enlace 5a-21 Topologia em Estrela Topologia de barramento popular até meados dos anos 90 Agora prevalência de topologia estrela Escolhas de conexão: hub ou switch (mais sobre isto depois) hub ou switch

22 5: Camada de Enlace 5a-22 Estrutura de Quadro Ethernet Adaptador remetente encapsula datagrama IP (ou pacote de outro protocolo da camada de rede) num Quadro Ethernet Preâmbulo: 7 bytes com o padrão seguidos por um byte com o padrão usado para sincronizar receptor ao relógio do remetente (relógios nunca são exatos, é muito provável que exista algum desvio entre eles)

23 5: Camada de Enlace 5a-23 Estrutura de Quadro Ethernet (cont) Endereços: 6 bytes para cada endereço MAC se o adaptador recebe um quadro com endereço destino igual ao seu, ou com endereço de difusão (ex., pacote ARP), ele passa os dados do quadro para o protocolo da camada de rede caso contrário, o adaptador descarta o quadro Tipo: indica o protocolo da camada superior, usualmente IP, mas existe suporte para outros (tais como IPX da Novell e AppleTalk) CRC: verificado pelo receptor: se for detectado um erro, o quadro será descartado

24 5: Camada de Enlace 5a-24 Serviço não confiável e sem conexões Sem conexões: Não há estabelecimento de conexão (saudação) entre os adaptadores transmissor e receptor. Não confiável: o adaptador receptor não envia ACKs ou NACKs para o adaptador transmissor fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode conter falhas na seqüência falhas serão preenchidas se aplicação estiver usando o TCP caso contrário, a aplicação verá as falhas

25 5: Camada de Enlace 5a-25 Ethernet usa o CSMA/CD Sem slots o adaptador não transmite se perceber que algum outro adaptador está transmitindo, isto é, escuta antes de transmitir (carrier sense) adaptador transmissor aborta quando percebe que outro adaptador está transmitindo, isto é, detecção de colisão Antes de tentar uma retransmissão, o adaptador espera um tempo aleatório, isto é, acesso aleatório

26 5: Camada de Enlace 5a-26 10BaseT e 100BaseT Taxas de transmissão de 10 e 100 Mbps; esta última é chamado de fast ethernet T significa Par Trançado (Twisted pair) Nós são conectados a um hub: topologia estrela; distância máxima entre os nós e o hub de 100m. par trançado hub

27 5: Camada de Enlace 5a-27 Hubs Hubs são essencialmente repetidores de camada física: bits vindos de um link são repetidos em todos os demais links na mesma taxa sem bufferização de quadros não há CSMA/CD no hub: os adaptadores detectam as colisões provê funcionalidade de gerenciamento da rede par trançado hub

28 5: Camada de Enlace 5a-28 Codificação de Manchester Usado no 10BaseT Cada bit possui uma transição Permite que os relógios nos nós transmissor e receptor entrem em sincronismo não há necessidade de um clock global, centralizado Mas, isto é assunto para a camada física!

29 5: Camada de Enlace 5a-29 Gbit Ethernet Usa formato padrão do quadro Ethernet Admite enlaces ponto-a-ponto e canais de difusão compartilhados Em modo compartilhado, usa CSMA/CD; para ser eficiente, as distâncias entre os nós devem ser curtas (poucos metros) Os Hubs usados são chamados de Distribuidores com Buffers (Buffered Distributors) Full-Duplex a 1 Gbps para enlaces ponto-a-ponto Agora temos também 10 Gbps!

30 5: Camada de Enlace 5a-30 Interconexão com hubs Hub no backbone interconecta segmentos de LAN Estende a distância máxima entre nós Mas os domínios de colisão de segmentos individuais tornam-se um grande domínio de colisão Não dá para interligar 10Base T com 100BaseT hub

31 5: Camada de Enlace 5a-31 Switch (comutador) Dispositivo da camada de enlace armazena e retransmite quadros Ethernet examina o cabeçalho do quadro e seletivamente encaminha o quadro baseado no endereço MAC do destino quando o quadro deve ser encaminhado num segmento, usa o CSMA/CD para acessá-lo transparente hosts ignoram a presença dos switches plug-and-play, self-learning (auto aprendizado) switches não necessitam ser configurados

32 5: Camada de Enlace 5a-32 Encaminhamento Como determina em que segmento de LAN deve encaminhar o quadro? Parece um problema de roteamento... hub switch 1 2 3

33 5: Camada de Enlace 5a-33 Auto aprendizado Um switch possui uma tabela de comutação entrada na tabela de comutação: (Endereço MAC, Interface, Carimbo de tempo) entradas antigas na tabela são descartadas (TTL pode ser de 60 min) switch aprende que hosts podem ser alcançados através de quais interfaces quando um quadro é recebido, o switch aprende a localização do transmissor: segmento de LAN de onde ele veio registra o par transmissor/localização na tabela de comutação

34 5: Camada de Enlace 5a-34 Switch: isolamento de tráfego Instalação do switch quebra a subrede em diversos segmentos de LAN switch filtra os pacotes: quadros do mesmo segmento de LAN não são normalmente encaminhados para os outros segmentos segmentos tornam-se domínios de colisão separados hub switch domínio de colisão

35 5: Camada de Enlace 5a-35 Switches: acesso dedicado Switch com diversas interfaces Hosts têm conexão direta com o switch Sem colisões; full duplex Comutação: A-para-A e B- para-B simultaneamente, sem colisões switch A A B B C C

36 5: Camada de Enlace 5a-36 Rede Institucional/corporativa hub switch para a rede externa roteador subrede IP servidor de mail servidor web

37 5: Camada de Enlace 5a-37 Switches vs. Roteadores ambos são dispositivos do tipo armazena-e-encaminha roteadores: dispositivos da camada de rede (examinam os cabeçalhos da camada de rede) switches são dispositivos da camada de enlace roteadores mantêm tabelas de roteamento, implementam algoritmos de roteamento switches mantêm tabelas de comutação, implementam filtragem, algoritmos de aprendizado


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