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

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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

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

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

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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

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

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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): 01111110 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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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: 01111110 Dados transmitidos: 011111010 Transparente para a camada de rede Stuffing bits são removidos antes de repassar os dados para a camada de rede Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Transmissor Receptor 1 Ack 1 2 Nack 2 2 Ack 2 3 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 1 2 Ack 2 3 Transmissor Receptor timeout Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

Controle de fluxo (2) Solução genérica: Exemplo: 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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 0.001 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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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.: 10001001 e 10110001: dist. Hamming = 3 são necessários 3 erros de bit para transformar uma palavra na outra Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

Detecção e correção de erros: Distância de Hamming (2) 2m mensagens válidas Nem todas as 2n 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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 = 10110101 paridade par: 101101011 paridade ímpar: 101101010 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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

Correção de erros: Exemplo Código com as seguintes palavras-código válidas: 0000000000, 0000011111, 1111100000, 1111111111 Distância de Hamming do código = 5 Capaz de corrigir erros duplos (dois bits) Ex.: palavra recebida: 0000000111 Receptor deduz que a palavra correta é 0000011111 Mas se o erro for de três bits, convertendo a palavra 0000000000 em 0000000111, 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) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

Código de correção de erros: Aspectos gerais de projeto (exemplo) Correção de erros simples (de 1 único bit) Tamanho da mensagem: m bits 2m mensagens válidas Número de bits de checagem: r Total de bits em uma palavra-código: n = m + r 2n 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)2m ≤ 2n ou: (m + r + 1) ≤ 2r Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 = 1 + 2 + 8 bit 11 é checado pelos bits 1, 2 e 8 k = 29 = 1 + 4 + 8 + 16 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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 ,11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Bit Checado por 3 1, 2 5 1, 4 6 2, 4 7 1, 2, 4 Bit Checado por 9 1, 8 10 2, 8 11 1, 2, 8 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

Detecção de erros: Bits de paridade (2) Ordem de transmissão (uma linha de cada vez) 1 k = 7 linhas n = 8 colunas Capaz de detectar surtos de erros de até 8 bits Bits de Paridade Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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.: 110001  x5 + x4 + x0 ou: x5 + x4 + 1 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) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 xrM(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 xrM(x) O resultado é o quadro com checksum a ser transmitido Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

Detecção de erros: Códigos polinomiais – Exemplo Quadro original: 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 Gerador: 1 0 0 1 1 (x4 + x + 1 => grau 4) Quadro após adicionar 4 bits: 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 Resto da divisão: 1 1 1 0 (1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 dividido por 1 0 0 1 1) Quadro transmitido: 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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: 1/2r) Implementação simples e eficiente por hardware Registradores de deslocamento e portas XOR Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

Detecção de erros: Códigos polinomiais padronizados CRC-12: X12 + x11 + x3 + x2 + x1 + 1 Transmissão de seqüências de caracteres de 6 bits Gera CRCs de 12 bits CRC-16: X16 + X15 + X2 + 1 Transmissão de seqüências de caracteres de 8 bits Gera CRCs de 16 bits CRC-CCITT: X16 + X12 + X5 + 1 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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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) CPU Camada Física Camada de Enlace Camada de Rede NIC – Network Interface Card Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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); }} Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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); } Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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); }} Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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); } Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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: timeout timeout Sender Dados Ack p/ camada de rede Receiver Duplicata! Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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, ... Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

Um protocolo simplex para um canal sujeito a erros (3) timeout timeout Sender Dados Ack p/ camada de rede 1 1 1 Receiver Protocolos deste tipo são conhecidos como: ARQ – Automatic Repeat Request, ou PAR – Positive Aknowledgement with Retransmission Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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: timeout Sender Dados 1 Falha do protocolo: transmissor pensa que este quadro foi recebido ok. Ack p/ camada de rede Receiver Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

seq_nr next_frame_to_send; frame s; packet buffer; event_type event; 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 */ inc(next_frame_to_send); } Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

seq_nr frame_expected; frame r,s; event_type event; 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 */ Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

O mesmo protocolo, agora com números de seqüência no Acknowledgement 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){ inc(next_frame_to_send); } O mesmo protocolo, agora com números de seqüência no Acknowledgement (transmissor) Ack com número de seqüência! Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

O mesmo protocolo, agora com números de seqüência no Acknowledgement (receptor) 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! Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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.: 0 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 Quadros transmitidos mas com Ack pendente Janela de recepção Números de seqüência dos quadros que o receptor pode aceitar Ex.: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

O conceito de “janela deslizante”: Janela de tamanho 1 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 */ Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 sender’s 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 */ Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

Protocolo usando “Go Back n”: Exemplo Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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? Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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); } Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 */ } Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

seq_nr next_frame_to_send; 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 */ Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

wait_for_event(&event); /* four possibilities: see event_type above */ 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 sender’s window */ nbuffered = nbuffered + 1; /* transmit frame */ send_data(next_frame_to_send, frame_expected, buffer); /* advance sender’s upper window edge */ inc(next_frame_to_send); break; Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 receiver’s 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 sender’s window */ break; Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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() */ Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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” Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

“Leitura” Complementar Protocolo 6 (Figura 3-18, Tanenbaum) Applet animado ilustrando o protocolo de janelas deslizantes: http://www.kom.e-technik.tu-darmstadt.de/projects/iteach/itbeankit/Applets/Sliding_Window/sliding_window.html Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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

PPP: Exemplo de uso (2) PC funciona como um host na Internet Pode enviar e receber pacotes IP Encapsulados em quadros PPP 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 PC instrui o modem para liberar o circuito físico Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

PPP: Formato dos quadros Protocolo orientado a caracteres Delimitação de quadros: Caracter (byte) especial 01111110 usado para delimitar o início e fim de cada quadro Character stuffing: caso o caracter delimitador apareça no meio do quadro Campo de endereço: 11111111 (todas as estações) Endereço padrão (evita ter que associar endereços de enlace) Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

PPP: Formato dos quadros (2) Campo de controle Valor default: 00000011 – 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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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 Prof. Fábio M. Costa - INF / UFG Capítulo 3: Camada de Enlace

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

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