Camada de Enlace de dados Tecnologias de LAN - Ethernet

Apresentação em tema: "Camada de Enlace de dados Tecnologias de LAN - Ethernet"— Transcrição da apresentação:

1 Camada de Enlace de dados Tecnologias de LAN - Ethernet
Redes de Computadores 4 Camada de Enlace de dados Tecnologias de LAN - Ethernet

2 Tecnologias de LAN Camada de enlace até agora:  Serviços, detecção de erros/correção, acesso múltiplo A seguir: tecnologias de redes locais (LAN)  Endereçamento  Ethernet  hubs, pontes, switches  PPP

3 A camada de enlace  Introdução e serviços  Detecção e correção de erros  Protocolos de múltiplo acesso  Endereçamento da camada de enlace  Ethernet  Hubs e switches  PPP  Virtualização de enlace: ATM e MPLS

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

5 Endereços de LAN (mais)
 A alocação de endereços MAC é administrada pelo IEEE  O fabricante compra porções do espaço de endereço MAC (para assegurar a unicidade)  Analogia: (a) endereço MAC: semelhante ao número do RG (b) endereço IP: semelhante a um endereço postal Endereçamento MAC é “flat” => portabilidade  É possível mover uma placa de LAN de uma rede para outra sem reconfiguração de endereço MAC Endereçamento IP “hierárquico” => NÃO portável  Depende da rede na qual se está ligado

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

7 Protocolo ARP: Mesma LAN (network)
 A que enviar um datagrama para B, e o endereço MAS de B não está na tabela ARP de A A faz broadcast de pacote de consulta ARB, contendo o endereço IP de B  end. MAC de destino = FF-FF-FF-FF-FF-FF  todas as máquinas na LAN recebem a consulta ARP B recebe o pacote ARP, responde para A com seu endereço MAC (de B).  Quadro enviado para o end. MAC de A (unicast)  A faz um cache (salva) o par de endereços IP para MAC em sua tabela ARP até que a informação se torne antiga (expirada) soft state: informação que expira (é descartada) sem atualização ARP é “plug-and-play”:  Nós criam suas tabelas ARP sem intervenção do administrador da rede

8 Roteamento para outra LAN
objetivo: envia datagrama de A para B via R supõe que A conhece o endereço IP de B Duas tabelas ARP no roteador R, um para cada rede IP (LAN)

9 Roteamento para outra LAN
 A cria o pacote IP com origem A, destino B  A usa ARP para obter o endereço de camada física de R correspondente ao endereço IP  A cria um quadro Ethernet com o endereço físico de R como destino, o quadro Ethernet contém o datagrama IP de A para B  A camada de enlace de A envia o quadroEthernet  A camada de enlace de R recebe o quadro Ethernet  R remove o datagrama IP do quadro Ethernet, verifica que ele se destina a B  R usa ARP para obter o endereço físico de B  R cria quadro contendo um datagrama de A para B e envia para B

10 Endereço MAC – Media Acess Control
Cada estação em uma rede Ethernet possui seu próprio adaptador de rede ou Network Interface Card (NIC). O NIC é encaixado dentro da estação e fornece à estação um endereço físico (MAC Adress) de 6 bytes. C-4B

11 Endereçamento MAC Address
ereço físico único associado a placa de r Endereço físico único associado a placa de rede como identificador universal da estação em uma LAN

12 Endereçamento Como descobrir o MAC ADRRESS de sua estação?
Ipconfig /all (Windows) Ifconfig (Linux) Como ver os MAC ADDRESS das estações? C:\Documents and Settings\romildo>arp –a Interface: x4 Endereço IP Endereço físico Tipo d-79-af dinâmico d-0a-f2 d-79-10 É possível alterar o endereço físico de uma estação?

13 Endereçamento Como garantir que o MAC é único?
A alocação de MAC Address é administrada pelo IEEE O fabricante compra porções do espaço de endereço MAC (para assegurar a unicidade)  C (Cisco)  (3COM)  (Cisco) 00-E0-4C (Realtek) Analogia (Livro de Kurose): (a) endereço MAC: semelhante ao número do RG (b) endereço IP: semelhante a um endereço postal

14 ARP – Protocolo de Resolução de Endereços
Pacote ARP Request Endereços físico e lógico do TX Endereço lógico do RX Descobre o endereço físico a partir do endereço lógico. Quando um host ou um roteador enviam um datagrama IP a outro host ou roteador o endereço lógico do receptor é conhecido. Transmissão em Broadcast RX reconhece seu IP O RX envia pacote de resposta ARPReply com o endereço físico

15 A camada de enlace  Introdução e serviços  Detecção e correção de erros  Protocolos de múltiplo acesso  Endereçamento da camada de enlace  Ethernet  Hubs e switches  PPP  Virtualização de enlace: ATM e MPLS

16 Agenda Tecnologias de LANs Porque Ethernet Origem Frame
Ethernet Padrão Fast Ethernet Gigabit Ethernet

17 Tecnologias para LANs

18 Por que Ethernet? Mais utilizada atualmente Preço Performance
Escalabilidade

19 Ethernet Tecnologia de rede local “dominante” :  Barato R$20 por 100Mbps!  Primeira tecnologia de LAN largamente usada  Mais simples e mais barata que LANs com token e ATM  Velocidade crescente: 10Mbps – 10Gbps

20 Origem

21 Origem 1973, quando Robert Metcalfe escreveu um memorando para os seus chefes contando sobre o potencial dessa tecnologia em redes locais 1976, Metcalfe e David Boggs (seu assistente) publicaram um artigo, Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks 1979, Metcalfe deixou a Xerox e criou a 3Com 1980, Convenceu DEC, Intel, e Xerox a trabalhar juntas para promover a Ethernet como um padrão

22 Origem esboço da Ethernet por Bob Metcalf

23 Topologia em estrela  Topologia de bus popular em meados dos anos 90  Agora a topologia em estrela prevalece  Opções de conexão: hub ou switch (mais adiante)

24 Estrutura do quadro Ethernet
Adaptador do transmissor encapsula o datagrama IP (ou outro pacote de protocolo da camada de rede) num quadro Ethernet

25 Frame Preâmbulo: 7 bytes com padrão seguido por um byte com padrão Usado para sincronizar as taxas de relógio do transmissor e do receptor Tem como função criar um padrão de 0s e 1s para a sincronização. Em algumas literaturas, não é considerado parte do frame Ethernet pois é adiconado ao frame na camada física. SFD (Start Frame Delimiter) - Sinaliza o início do Frame ( ) □

26 Frame Endereços: 6 bytes
 Se o adaptador recebe um quadro com endereço de destino coincidente, ou com endereço de broadcast (ex., pacote ARP), ele passa o dado no quadro para o protocolo da camada de rede □

27 Frame Tipo: indica o protocolo da camada superior; geralmente é o protocolo IP, mas outros podem ser suportados, tais como Novell IPX e AppleTalk) □

28 Frame Payload - Transporta dados das camadas superiores encapsulados (entre 46 e 1500 bytes) CRC - Transporta a detecção de erro baseado no CRC-32; verificado no receptor; se um erro é detectado, o quadro é simplesmente descartado □

29 Frame

30 Serviço não confiável, sem conexão
 Sem conexão: não ocorre conexão entre o adaptador transmissor e o receptor. Não confiável: adaptador receptor não envia ACKs ou nacks para o adaptador transmissor  O fluxo de datagramas que passa para a camada de rede pode deixar lacunas  Lacunas serão preenchidas se a aplicação estiver usando TCP.  Caso contrário, a aplicação verá as lacunas

31 Hubs Hubs são essencialmente repetidores de camada física:  Bits que chegam de um enlace se propagam para todos os outros enlaces  Com a mesma taxa  Não possuem armazenagem de quadros  Não há CSMA/CD no hub: adaptadores detectam colisões  Provê funcionalidade de gerenciamento de rede.

32 Evolução

33 Ethernet Padrão (10Mbps)
Padrão de camada física e camada de enlace. 10Mbps, com quadros de 64 e 1518 bytes. O endereçamento feito através do MAC

34 Ethernet Padrão

35 Codificação Manchester
 Cada bit possui uma transição Permite que os relógios nos nós de transmissão e de recepção possam sincronizar um com o outro  Não é necessário relógio global centralizado entre os nós!  Ei, isso é coisa de camada física!

36 Ethernet Padrão 10Base2

37 Ethernet Padrão 10BaseT

38 Ethernet Padrão 10BaseF

39 Ethernet Padrão 10BASE2 (ThinNet ou Cheapernet) -- Um cabo coaxial de 50-ohm conecta as máquinas, cada qual usando um adaptador T para conectar seu NIC. Requer terminadores nos finais. Por muitos anos esse foi o padrão dominante de ethernet de 10 Mbit/s. 10BASE5 (também chamado Thicknet) -- Especificação Ethernet de banda básica de 10 Mbps, que usa o padrão (grosso) de cabo coaxial de banda de base de 50 ohms. Faz parte da especificação de camada física de banda de base IEEE , tem um limite de distância de 500 metros por segmento.

40 Ethernet Padrão 10BASE-T -- Opera com 4 fios (dois conjuntos de par trançado) num cabo CAT-3 ou CAT- 5. Um hub ou switch fica no meio e tem uma porta para cada nó da rede. Essa é também a configuração usada para a ethernet 100BASE-T e a Gigabit. 10BASE-F -- um termo genérico para a nova família de padrões de ethernet de 10 Mbit/s: 10BASE-FL, 10BASE-FB e 10BASE-FP. Desses, só o 10BASE-FL está em uso comum (todos utilizando a fibra óptica como meio físico). 10BASE-FB -- Pretendia ser usada por backbones conectando um grande número de hubs ou switches, agora está obsoleta. 10BASE-FP -- Uma rede passiva em estrela que não requer repetidores, nunca foi implementada.

41 Fast Ethernet (100Mbps) Manteve do padrão Ethernet o endereçamento, o formato do pacote, o tamanho e o mecanismo de detecção de erro. 100Mbps de velocidade Modo de transmissão half-duplex ou full-duplex.

42 Fast Ethernet

43 Fast Ethernet 100BASE-TX A forma mais usada na rede Fast Ethernet
Cabos CAT5e (ou CAT5) Padrões de cabeamento TIA/EIA-568 Cada segmento de rede pode ter uma distância de no máximo de 100 metros 100 Mbit/s de throughput full-duplex Geralmente utiliza topologia estrela

44 Fast Ethernet 100BASE-TX

45 Gigabit Ethernet (1000Mbps)
Suporta o quadro padrão Ethernet Taxa de transmissão de 1Gbps Segue o padrão Ethernet com detecção de colisão, regras de repetidores, aceita modo de transmissão half-duplex e full-duplex.

46 Gigabit Ethernet  Permite enlaces ponto-a-ponto e canais de múltiplo acesso compartilhados  No modo compartilhado, o CSMA/CD é usado; exige pequenas distâncias entre os nós para ser eficiente  Usa hubs, chamados aqui de Distribuidores com Armazenagem “Buffered Distributors”  Full-Duplex a 1 Gbps para enlaces ponto-a-ponto

47 Gigabit Ethernet

48 10 Giga Ethernet Segue o padrão Gigabit Ethernet, porém seu modo de transmissão é, única e exclusivamente, full-duplex Meio físico é a fibra óptica – multimodo ou monomodo. 10 Gigabit Ethernet é utilizado em rede MAN. Só permite ligações ponto-a-ponto.

49 Pausa para pensar.... Precisamos pensar em algumas coisas...
Note que na topologia 10Base2 é utilizada a topologia barramento (meio compartilhado), como tratar a colisão? Quais as topologias utilizadas em cada padrão? Todos os padrões Ethernet precisam tratar colisão?

50 Como o Ethernet detecta colisões?
Cada estação ouve o meio antes de iniciar uma transmissão. Baseia-se no princípio “verificar antes de transmitir”, “ouvir antes de falar”. Reduz a possibilidade de colisão. Estratégia de persistência: A máquina ouve o meio e se estiver livre inicia a transmissão. Se estiver ocupado espera um tempo aleatório e envia.

51 Ethernet usa CSMA/CD  Sem slots  Adaptador não transmite se ele detectar algum outro adaptador transmitindo, isto é, carrier sense  O adaptador transmissor aborta quando detecta outro adaptador transmitindo, isto é, collision detection  Antes de tentar uma retransmissão, o adaptador espera um período aleatório, isto é, random access

52 Algoritmo CSMA/CD da Ethernet
1. Adaptador recebe um datagrama da camada de rede e cria um quadro. 2. Se o adaptador detecta um canal livre, ele começa a transmitir o quadro. Se ele detecta o canal ocupado, espera até ele ficar livre e então transmite. 3. Se o adaptador transmite o quadro todo sem detectar outra transmissão, sua missão com esse quadro está cumprida! 4. Se o adaptador detecta outra transmissão enquanto transmite, ele aborta e envia um jam signal 5. Após abortar, o adaptador entra em exponential backoff: após a m-ésima colisão, o adaptador escolhe um K aleatório de {0,1,2,…,2m-1}. O adaptador espera K·512 tempos de bit e retorna ao passo 2.

53 Ethernet CSMA/CD Jam signal: garante que todos os outros transmissores estão cientes da colisão; 48 bits; Bit time: .1 microseg para Ethernet de 10 Mbps; para K=1023, o tempo de espera é cerca de 50 mseg Veja o applet Java no Web site da AWL: altamemte recomendado! Exponential backoff:  Objetivo: adaptar tentativas de retransmissão para carga atual da rede  Carga pesada: espera aleatória será mais longa  Primeira colisão: escolha K entre {0,1}; espera é K x 512 tempos de transmissão de bit  Após a segunda colisão: escolha K entre {0, 1, 2, 3}…  Após 10 ou mais colisões, escolha K entre {0, 1, 2, 3, 4,…,1023}

54 Eficiência do CSMA/CD  Tprop = propagação máxima entre 2 nós na LAN
 ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho máximo  Eficiência tende a 1 quando tprop tende a 0  Tende a 1 quando ttrans tende ao infinito  Muito melhor do que o ALOHA, e ainda é descentralizado, simples e barato