5-1 Capitulo 5 Camada de Enlace e LANs Computer Networking: A Top Down Approach 5 th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, April 2009. Magnos.

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1 5-1 Capitulo 5 Camada de Enlace e LANs Computer Networking: A Top Down Approach 5 th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, April 2009. Magnos Martinello Universidade Federal do Espírito Santo - UFES Departamento de Informática - DI Laboratório de Pesquisas em Redes Multimidia - LPRM

2 5: DataLink Layer5-2 Introdução Terminologia:  hosts e routers são nodos  Canais de comunicação que conectam nodos adjacentes ao longo do caminho de comunicação são enlaces  Enlaces cabeados (wired) ‏  Enlaces sem fio (wireless) ‏  LANs  Pacote nesta camada é um quadro (frame) ‏

3 5: DataLink Layer5-3 Endereçamento  Endereços IP são de 32-bits:  Endereços da camada de rede  Usados para levar o datagrama até a rede de destino  Endereço MAC (ou LAN ou Ethernet):  função: levar o quadro de uma interface para outra interface fisicamente-conectada (mesma rede) ‏  Endereços MAC tem 48 bits ‏ Gravada na NIC ROM, também configurável por software

4 5: DataLink Layer5-4 Endereços de LAN Each adapter on LAN has unique LAN address Broadcast address = FF-FF-FF-FF-FF-FF = adapter 1A-2F-BB-76-09-AD 58-23-D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98 71-65-F7-2B-08-53 LAN (wired or wireless) ‏

5 5: DataLink Layer5-5 Endereços de LAN ‏  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 5: DataLink Layer5-6 ARP: Address Resolution Protocol  Each IP node (host, router) on LAN has ARP table  ARP table: IP/MAC address mappings for some LAN nodes  TTL (Time To Live): time after which address mapping will be forgotten (typically 20 min) ‏ Questão: como determinar o endereço MAC de B sabendo o endereço IP de B? 1A-2F-BB-76-09-AD 58-23-D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98 71-65-F7-2B-08-53 LAN 137.196.7.23 137.196.7.78 137.196.7.14 137.196.7.88

7 5: DataLink Layer5-7 Protocolo ARP: Mesma LAN ‏  A wants to send datagram to B, and B’s MAC address not in A’s ARP table.  A broadcasts ARP query packet, containing B's IP address  dest MAC address = FF- FF-FF-FF-FF-FF  all machines on LAN receive ARP query  B receives ARP packet, replies to A with its (B's) MAC address  frame sent to A’s MAC address (unicast) ‏  A caches (saves) IP-to- MAC address pair in its ARP table until information becomes old (times out)  soft state: information that times out (goes away) unless refreshed  ARP is “plug-and-play”:  nodes create their ARP tables without intervention from net administrator

8 5: DataLink Layer5-8 Roteando para outra LAN R 1A-23-F9-CD-06-9B 222.222.222.220 111.111.111.110 E6-E9-00-17-BB-4B CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.112 111.111.111.111 A 74-29-9C-E8-FF-55 222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F B 222.222.222.222 49-BD-D2-C7-56-2A walkthrough: send datagram from A to B via R assume A knows B’s IP address  two ARP tables in router R, one for each IP network (LAN) ‏

9 5: DataLink Layer5-9  A creates IP datagram with source A, destination B  A uses ARP to get R’s MAC address for 111.111.111.110  A creates link-layer frame with R's MAC address as dest, frame contains A-to-B IP datagram  A’s NIC sends frame  R’s NIC receives frame  R removes IP datagram from Ethernet frame, sees its destined to B  R uses ARP to get B’s MAC address  R creates frame containing A-to-B IP datagram sends to B R 1A-23-F9-CD-06-9B 222.222.222.220 111.111.111.110 E6-E9-00-17-BB-4B CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.112 111.111.111.111 A 74-29-9C-E8-FF-55 222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F B 222.222.222.222 49-BD-D2-C7-56-2A

10 5: Camada de Enlace e LANs5-10 Tecnologia de rede local “dominante” :  Barato R$20 por 100 Mbps!  Primeira tecnologia de LAN largamente usada  Mais simples e mais barata que LANs com token e ATM  Velocidade crescente: 10 Mbps – 10 Gbps esboço da Ethernet por Bob Metcalf Ethernet

11 5: Camada de Enlace e LANs5-11  Topologia de bus popular em meados dos anos 90  Agora a topologia em estrela prevalece  Opções de conexão: hub ou switch (mais adiante) ‏ Ethernet 802.3

12 5: Camada de Enlace e LANs5-12 Adaptador do transmissor encapsula o datagrama IP (ou outro pacote de protocolo da camada de rede) num quadro Ethernet Preâmbulo: 7 bytes com padrão 10101010 seguido por um byte com padrão 10101011 usado para sincronizar o relógio do transmissor e do receptor Estrutura do Quadro Ethernet

13 5: Camada de Enlace e LANs5-13  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  Tipo: indica o protocolo da camada superior; geralmente é o protocolo IP, mas outros podem ser suportados, tais como Novell IPX e AppleTalk) ‏  CRC: verificado no receptor; se um erro é detectado, o quadro é simplesmente descartado Estrutura do Quadro Ethernet

14 5: Camada de Enlace e LANs5-14  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 Serviço não confiável e sem conexão

15 5: Camada de Enlace e LANs5-15  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 Ethernet usa CSMA/CD

16 5: Camada de Enlace e LANs5-16 1. O 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,…,2 m -1}. O adaptador espera K·512 tempos de bit e retorna ao passo 2. Algoritmo CSMA/CD da Ethernet

17 5: Camada de Enlace e LANs5-17  Taxa de 10/100 Mbps; chamado mais tarde de “fast ethernet”  T significa “Twisted Pair” (par de fios trançados de cobre)  Nós se conectam a um hub: “topologia em estrela”; 100 m é a distância máxima entre os nós e o hub 10BaseT e 100BaseT

18 5: DataLink Layer5-18 Hubs Essencialmente repetidores da camada física:  bits coming in one link go out all other links at same rate  all nodes connected to hub can collide with one another  no frame buffering twisted pair hub

19 5: DataLink Layer5-19 Interconectando com hubs  Backbone hub interconnects LAN segments  Extends max distance between nodes  But individual segment collision domains become one large collision domain hub

20 5: DataLink Layer5-20 Comutador (Switch) ‏  Dispositivo da camada de enlace:  Armazena e encaminha (store, forward) Ethernet frames  Examina o endereço do quadro MAC que chega, seletivamente encaminha o quadro para um ou mais interfaces de saída  Quando o quadro é para ser encaminhado para um segmento de rede, usa o protocolo CSMA/CD  transparente  hosts não estão cientes da presença de comutadores switches  plug-and-play, self-learning  switches não precisam ser configurados

21 5: DataLink Layer5-21 Switch Table  Q: Como que o switch sabe que A’ alcançável pela interface 4, B’ alcançável via interface 5?  R: cada switch tem uma tabela de comutação e cada entrada da tabela é:  (MAC address of host, interface to reach host, time stamp) ‏  Q: como são as entradas criadas e mantidas na tabela ? A A’ B B’ C C’ switch com seis interfaces (1,2,3,4,5,6) 1 2 3 4 5 6

22 5: DataLink Layer5-22 Switch: auto-didata  switch learns which hosts can be reached through which interfaces  when frame received, switch “learns” location of sender: incoming LAN segment  records sender/location pair in switch table A A’ B B’ C C’ 1 2 3 4 5 6 A A’ Source: A Dest: A’ MAC addr interface TTL Switch table (initially empty) ‏ A 1 60

23 5: Camada de Enlace e LANs5-23 Quando um switch recebe um quadro: registra a interface associada com o host emissor indexa a tabela do switch usando end. MAC de destino if entrada for encontrada para o destino then{ if dest. no segmento deste quadro chegou then descarta o quadro else encaminha o quadro na interface indicada } else flood Encaminha para todas as interfaces, exceto para aquela em que o quadro chegou Switch: frame filtering/forwarding

24 5: DataLink Layer5-24 Self-learning, forwarding: example A A’ B B’ C C’ 1 2 3 4 5 6 A A’ Source: A Dest: A’ MAC addr interface TTL Switch table (initially empty) ‏ A 1 60 A A’  frame destination unknown: flood A’ A  destination A location known: A’ 4 60 selective send

25 5: DataLink Layer5-25 Interconnecting switches  switches can be connected together A B  Q: sending from A to F - how does S 1 know to forward frame destined to F via S 4 and S 2 ?  A: self learning! (works exactly the same as in single-switch case!) ‏ S1S1 C D E F S2S2 S4S4 S3S3 H I G

26 5: DataLink Layer5-26 Switch example Suppose C sends frame to D  Switch receives frame from from C  notes in bridge table that C is on interface 1  because D is not in table, switch forwards frame into interfaces 2 and 3  frame received by D hub switch A B C D E F G H I address interface ABEGABEG 11231123 1 2 3

27 5: DataLink Layer5-27 Switch example Suppose D replies back with frame to C.  Switch receives frame from from D  notes in bridge table that D is on interface 2  because C is in table, switch forwards frame only to interface 1  frame received by C hub switch A B C D E F G H I address interface ABEGCABEGC 1123111231

28 5: DataLink Layer5-28 Switch: traffic isolation  switch installation breaks subnet into LAN segments  switch filters packets:  same-LAN-segment frames not usually forwarded onto other LAN segments  segments become separate collision domains hub switch collision domain

29 5: DataLink Layer5-29 Rede Institucional to external network router IP subnet mail server web server