Enlace

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Enlace

• Referência
• Slides extraídos do material dos professores Jim
  Kurose e Keith Ross relativos ao livro Redes de
  Computadores e a Internet Uma abordagem
  top-down, segunda e terceira edições
• Alterações nos slides, incluindo sequenciamento,
  textos, figuras e novos slides, foram realizadas
  conforme necessidade

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Camada de enlace definindo o contexto
fluxo real de PDUs
Roteador R1
protocolo de enlace
Roteador R2
Roteador R3
Roteador R3
Roteador R4
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Camada de enlace definindo o contexto

• dois elementos físicos fisicamente conectados
• host-roteador, roteador-roteador, host-host
• unidade de dados quadro (frame)

rede enlace física
protocolo de enlace
M
quadro
enlace físico
placa adaptadora
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Serviços da Camada de Enlace

• Enquadramento, acesso ao enlace
• encapsula datagramas em quadros, acrescentando
  cabeçalhos e trailer
• implementa acesso ao canal se o meio é
  compartilhado
• endereços físicos usados nos cabeçalhos dos
  quadros para identificar a fonte e o destino dos
  quadros
• diferente do endereço IP !
• Entrega confiável entre dois equipamentos
  fisicamente conectados
• já aprendemos como isto deve ser feito
  (transporte)!
• raramente usado em enlaces com baixa taxa de erro
  (fibra, alguns tipos de par trançado)
• enlaces sem-fio (wireless) altas taxas de erro
• Q porque prover confiabilidade fim-a-fim e na
  camada de enlace?

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Serviços da Camada de Enlace (cont.)

• Controle de Fluxo
• limitação da transmissão entre transmissor e
  receptor
• Detecção de Erros
• erros causados pela atenuação do sinal e por
  ruídos.
• o receptor detecta a presença de erros
• avisa o transmissor para reenviar o quadro
  perdido
• Correção de Erros
• o receptor identifica e corrige o bit com
  erro(s) sem recorrer à retransmissão

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Implementação Camada de Enlace

• implementado no adaptador
• ex., placa PCMCIA, placa Ethernet
• tipicamente inclui RAM, chips DSP, interface com
  barramento do host, e interface do enlace

rede enlace física
protocolo de enlace
M
quadro
enlace físico
placa adaptadora
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Detecção de Erros

• EDC Bits de Detecção e Correção de Erros
  (redundancia)
• D Dados protegidos pela verificação de
  erros, pode incluir os campos de cabeçalho
• A detecção de erros não é 100 confiável!
• protocolos podem deixar passar alguns erros, mas
  é raro
• Quanto maior o campo EDC melhor é a capacidade
  de detecção e correção de erros

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Verificação de Redundância Cíclica

• encara os bits de dados, D, como um número
  binário
• escolhe um padrão gerador de r1 bits, G
• objetivo escolher CRC bits, R, tal que
• ltD,Rgt é divisível de forma exata por G
• receptor conhece G, divide ltD,Rgt por G. Se o
  resto é diferente de zero erro detectado!
• pode detectar todos os erros em seqüência (burst
  errors) com comprimento menor que r1 bits
• largamente usado na prática (ATM, HDCL, Ethernet)

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Enlaces de Acesso Múltiplo e Protocolos

• Três tipos de enlaces
• ponto-a-ponto (fio único, ex. PPP, SLIP)
• broadcast (fio ou meio compartilhado ex,
  Ethernet, Wavelan, etc.)
• switched (ex., switched Ethernet, ATM etc)

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Protocolos de Acesso Múltiplo

• canal de comunicação único e compartilhado
• duas ou mais transmissões pelos nós
  interferência
• apenas um nó pode transmitir com sucesso num dado
  instante de tempo
• protocolo de múltiplo acesso
• algoritmo distribuído que determina como as
  estações compartilham o canal, isto é, determinam
  quando cada estação pode transmitir
• comunicação sobre o compartilhamento do canal
  deve utilizar o própro canal!
• o que procurar em protocolos de múltiplo acesso
• síncrono ou assíncrono
• informação necessária sobre as outras estações
• robustez (ex., em relação a erros do canal)
• desempenho

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Protocolos MAC (acesso ao meio) uma taxonomia

• Três grandes classes
• Particionamento de canal
• dividem o canal em pedaços menores
  (compartimentos de tempo, freqüência)
• aloca um pedaço para uso exclusivo de cada nó
• Acesso Aleatório
• permite colisões
• recuperação das colisões
• Passagem de Permissão
• compartilhamento estritamente coordenado para
  evitar colisões

Objetivo eficiente, justo, simples,
descentralizado
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Protocolos MAC com Particionamento de Canal TDMA

• TDMA acesso múltiplo por divisão temporal
• acesso ao canal é feito por turnos"
• cada estação controla um compartimento (slot)
  de tamanho fixo (tamanho tempo de transmissão
  de pacote) em cada turno
• compartimentos não usados são disperdiçados
• exemplo rede local com 6 estações 1,3,4 têm
  pacotes, compartimentos 2,5,6 ficam vazios
• TDM (Time Division Multiplexing) channel divided
  into N time slots, one per user inefficient with
  low duty cycle users and at light load.
• FDM (Frequency Division Multiplexing) frequency
  subdivided.

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Protocolos MAC com Particionamento de Canal FDMA

• FDMA acesso múltiplo por divisão de freqüência
• o espectro do canal é dividido em bandas de
  freqüência
• cada estação recebe uma banda de freqüência
• tempo de transmissão não usado nas bandas de
  freqüência é disperdiçado
• exemplo rede local com 6 estações 1,3,4 têm
  pacotes, as bandas de freqüência 2,5,6 ficam
  vazias

tempo
bandas de freqüência
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Particionamento de Canal (CDMA)

• CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Códigos)
• um código único é atribuído a cada usuário
  (chipping sequence), isto é, o código define o
  particionamento
• muito usado em canais broadcast, sem-fio
  (celular, satelite,etc)
• todos os usuários usam a mesma freqüência, mas
  cada usuário tem a sua própria maneira de
  codificar os dados.
• sinal codificado (dados originais) X (chipping
  sequence)
• decodificação produto interno do sinal
  codificado e da seqüência de codificação
  (chipping sequence)
• permite que múltiplos usuários coexistam e
  transmitam simultaneamente com mínima
  interferência
• os códigos que minimizam a interferência são
  chamados ortogonais

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Protocolos de Acesso Aleatório

• Quando o nó tem um pacote a enviar
• transmite com toda a taxa do canal R.
• não há uma regra de coordenação a priori entre
  os nós
• dois ou mais nós transmitindo -gt colisão,
• Protocolo MAC de acesso aleatório especifica
• como detectar colisões
• como as estações se recuperam das colisões (ex.,
  via retransmissões atrasadas)
• Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório
• slotted ALOHA
• ALOHA
• CSMA e CSMA/CD

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CSMA Carrier Sense Multiple Access

• CSMA escuta antes de transmitir
• Se o canal parece vazio transmite o pacote
• Se o canal está ocupado, adia a transmissão
• CSMA Persistente tenta outra vez imediatamente
  com probabilidade p quando o canal se torna livre
  (pode provocar instabilidade)
• CSMA Não-persistente tenta novamente após um
  intervalo aleatório

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CSMA/CD (Detecção de Colisão)

• CSMA/CD detecção de portadora, deferência como
  no CSMA
• colisões detectadas num tempo mais curto
• transmissões com colisões são interrompidas,
  reduzindo o disperdício do canal
• retransmissões persistentes ou não-persistentes
• detecção de colisão
• fácil em LANs cabeadas medição da intensidade do
  sinal, comparação dos sinais transmitidos e
  recebidos
• difícl em LANs sem fio receptor desligado
  enquanto transmitindo

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Protocolos MAC com Passagem de Permissão

• Polling
• nó mestre convida os escravos a transmitirem um
  de cada vez
• Mensagens Request to Send e Clear to Send
• problemas
• polling overhead
• latência
• ponto único de falha (mestre)

• Token passing
• controla um token passado de um nó a outro
  sequencialmente.
• mensagem token
• problemas
• token overhead
• latência
• ponto único de falha (token)

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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 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)
  gravado na memória fixa (ROM) do adaptador de
  rede

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Endereços de LAN e ARP
Cada adaptador numa LAN tem um único endereço de
LAN
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Lembre a discussão anterior sobre roteamento

• Começando em A, dado que o datagrama está
  endereçado para B (endereço IP)
• procure rede.endereço de B, encontre B em alguma
  rede, no caso igual à rede de A
• camada de enlace envia datagrama para B dentro de
  um quadro da camada de enlace

endereço de origem e destino do quadro
endereço de origem e destino do pacote
end. IP de A
endereço MAC de B
end. MAC de A
end. IP de B
dados IP
datagrama
quadro
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ARP Address Resolution Protocol(Protocolo de
Resolução de Endereços)

• Cada nó IP (Host, Roteador) numa LAN tem um
  módulo e uma tabela ARP
• Tabela ARP mapeamento de endereços IP/MAC para
  alguns nós da LAN
• lt endereço IP endereço MAC TTLgt
• lt .. gt
• TTL (Time To Live) tempo depois do qual o
  mapeamento de endereços será esquecido
  (tipicamente 20 min)

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Protocolo ARP

• A conhece o endereço IP de B, quer aprender o
  endereço físico de B
• A envia em broadcast um pacote ARP de consulta
  contendo o endereço IP de B
• todas as máquinas na LAN recebem a consulta ARP
• B recebe o pacote ARP, responde a A com o seu (de
  B) endereço de camada física
• A armazena os pares de endereço IP-físico até que
  a informação se torne obsoleta (esgota a
  temporização)
• soft state informação que desaparece com o tempo
  se não for re-atualizada

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Ethernet

• Tecnologia de rede local dominante
• barato R30 por 100Mbps!
• primeira tecnologia de LAN largamente usada
• Mais simples, e mais barata que LANs com token e
  ATM
• Velocidade crescente 10, 100, 1000 Mbps

Esboço da Ethernet por Bob Metcalf
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Estrutura do Quadro Ethernet

• 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 as taxas de relógio do
  transmissor e do receptor

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Estrutura do Quadro Ethernet (mais)

• Endereços 6 bytes, quadro é recebido por todos
  os adaptadores e descartado se o endereço do
  quadro não coincide com o endereço do adaptador
• 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.

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Algoritmo CSMA/CD da Ethernet
4. Se NIC detectar outra transmissão enquanto
transmite, aborta e envia sinal de
congestionamento 5. Depois de abortar, NIC entra
em backoff exponencial após m colisões, NIC
escolhe K aleatoriamente dentre 0,1,2,,2m-1.
NIC espera K ? 512 tempos de bit, retorna à
Etapa 2
1. NIC recebe datagrama da camada de rede e cria
quadro 2. Se NIC sentir canal ocioso, inicia
transmissão do quadro canal ocupado, espera até
estar ocioso, depois transmite 3. Se NIC
transmitir quadro inteiro sem detectar outra
transmissão, NIC terminou com o quadro!
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Padrões Ethernet 802.3 camadas de enlace e
física

• muitos padrões Ethernet diferentes
• protocolo MAC e formato de quadro comuns
• diferentes velocidades 2 Mbps, 10 Mbps, 100
  Mbps, 1Gbps, 10G bps
• diferentes meios da camada física fibra, cabo

protocolo MAC e formato de quadro
100BASE-TX
100BASE-FX
100BASE-T2
100BASE-SX
100BASE-BX
100BASE-T4
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Hubs

• repetidores da camada física (burros)
• todos os nós conectados ao hub podem colidir uns
  com os outros
• sem buffering de quadros
• sem CSMA/CD no hub NICs do hospedeiro detectam
  colisões, modo half-duplex
• bits chegando a um enlace saem em todos os outros
  enlaces na mesma velocidade

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Comutador (switch)

• dispositivo da camada de enlace mais inteligente
  que os hubs, têm papel ativo
• armazenam e repassam quadros Ethernet
• examinam endereço MAC do quadro que chega,
  repassam seletivamente o quadro para um ou mais
  enlaces de saída quando o quadro deve ser
  repassado no segmento, usa CSMA/CD para acessar
  segmento
• transparente
• Hosps de camada 3 não sabem da presença de
  comutadores
• plug-and-play, autodidata
• comutadores não precisam ser configurados

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Ethernet Switches

• Transmissão em camada 2 (quadros) com filtragem
  usando endereços de LAN
• Switching A-para-B a A-para-B simultaneamente,
  sem colisões
• grande número de interfaces
• muitas vezes hosts individuais são conectados em
  estrela no switch (1 host para cada porta)
• Ethernet, mas sem colisões!

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VLANs motivação

• O que acontece se
• usuário da CC muda para EE, mas quer se conectar
  ao comutador CC?
• único domínio de broadcast
• todo tráfego de broadcast da camada 2 (ARP, DHCP)
  cruza a LAN inteira (questões de eficiência,
  segurança/privacidade)
• cada comutador de nível mais baixo tem apenas
  algumas portas em uso

Como melhorar esta figura?
Ciência daComputação
Engenharia da Computação
EngenhariaElétrica
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VLANs
VLAN baseada em porta portas de comutador
agrupadas (por software de gerenciamento de
comutador) para que único comutador físico
15
1
9
7
Virtual Local Area Network
2
8
16
10


Comutador(es) admitindo capacidades de VLAN podem
ser configurados para definir múltiplas LANs
virtuais por única infraestrutura de LAN física.
Ciência da Computação (VLAN portas 9-15)
Engenharia Elétrica (VLAN portas 1-8)
opere como múltiplos comutadores virtuais


Ciência da Computação (VLAN portas 9-16)
Engenharia Elétrica (VLAN portas 1-8)
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VLAN baseada em porta

• isolamento de tráfego quadros de/para portas 1-8
  só podem alcançar portas 1-8
• também podem definir VLAN com base em endereços
  MAC das extremidades, em vez de porta do comutador

roteador
9
7
15
1
8
16
10
2

• inclusão dinâmica portas podem ser atribuídas
  dinamicamente entre VLANs

Ciência da Computação (VLAN portas 9-15)
Engenharia Elétrica (VLAN portas 1-8)

• repasse entre VLANSfeito por roteamento (assim
  como em comutadores separados)
• na prática, fornecedores vendem uma combinação de
  comutador e roteador

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VLANS spanning multiple switches
15
1
9
7
7
3
5
8
2
10
2
4
6
8


Ciência da Computação (VLAN portas 9-15)
Engenharia Elétrica (VLAN portas 1-8)
Portas 2,3,5 pertencem a EE VLAN Portas 4,6,7,8
pertencem a CS VLAN

• porta de tronco carrega quadros de múltiplas
  VLANS definidas sobre vários comutadores físicos
• quadros repassados dentro da VLAN entre
  comutadores não podem ser quadros 802.1
  (Ethernet) comuns, devem ter informação de VLAN
  ID (que identifica uma dada VLAN)
• protocolo 802.1q inclui campos de cabeçalho
  adicionais (p/ex, VLAN ID) para quadros
  repassados entre portas de tronco

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Formato de quadro 802.1Q VLAN
quadro 802.1
quadro 802.1Q
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IEEE 802.11 Wireless LAN

• wireless LANs rede sem fio (frequentemente
  móvel)
• padrão IEEE 802.11
• protocolo MAC
• espectro de freqüência livre 900Mhz, 2.4Ghz

• Basic Service Set (BSS) (igual a uma célula)
  contém
• wireless hosts
• access point (AP) estação base
• BSSs se combinam para formar um sistema
  distribuído (DS)

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Redes Ad Hoc

• Rede Ad hoc estações IEEE 802.11 podem
  dinamicamente formar uma rede sem AP
• Aplicações
• laptop encontrando-se numa sala de conferência,
  interconexão de equipamentos pessoais , rodovia
  inteligente
• campo de batalha
• IETF MANET (Mobile Ad hoc Networks) working
  group

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Controle de Enlace Ponto-a-Ponto

• Um transmissor, um receptor, um link mais fácil
  que um enlace broadcast
• não há Controle de Acesso ao Meio
• não há necessidade de endereçamento MAC explícito
• ex., enlace discado, linha ISDN
• protocolos ponto-a-ponto populares para camada de
  enlace
• PPP (point-to-point protocol)
• HDLC High level data link control (A camada de
  enlace costumava ser considerada de alto nível na
  pilha de protocolos!)