5.3 Redes Locais LANIEEE 802 – Camadas MAC e LLC

Instituto Superior de Engenharia de LisboaDepartamento de Engenharia, Electrónica, Telecomunicações e

Computadores

Redes de Computadores

2007-02-26 IEEE 802 - MAC e LLC 2

Modelo IEEE 802 – Camada MAC (802.3 CSMA/CD)

• Formação das tramas para emissão e recepção

• Implementação do algoritmo MAC

• Detecção de ErrosRede

802.2

FDDI802.5(Token Ring)

802.3(CSMA/

CD)

802.4(Token Bus)

802.11(Wirelless

LAN)

Meio de transmissão

LLC

MAC

PMC

PMA

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Funcionalidades da sub-camada MAC

802.2

Gestão de acesso ao meio de emissão

(1b 3 4 6 7 8 9 11 )

Codificação de dados a emitir

Descodificação dos bits recebidos

MACGestão de acesso ao

meio de emissão(2a 5 10 12 )

Formação da trama (1a) Extracção de dados da trama (2b)

LLC

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Funcionalidades da sub-camada MAC

• Emissão da trama– 1.a) aceita dados da sub-camada LLC– 1.b) Entrega uma sequência de bits em série à camada física para emissão

• Recepção da trama– 2.a) Recebe da camada física uma sequência de bits– 2.b) Entrega à sub-camada LLC tramas que são de broadcast ou destinadas à sua

estação– 2.c) Descarta ou passa ao gestor da rede todas as tramas não endereçadas à sua

estação

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3) Atrasa o envio da sequência de bits até que o meio físico esteja livre

4) Calcula e acrescenta à trama o valor de CRC ...

5) Faz o teste CRC da trama....

6) Atrasa a emissão da trama por um tempo IGP

7) Interrompe emissão quando se detecta colisão

8) Reforça a informação de colisão enviando uma mensagem JAM

9) Depois de uma colisão tenta a retransmissão da trama até ao limite máximo de tentativas

10) Descarta pacotes recebidos de dimensão menor que o mínimo especifícado

11) Acrescenta à trama o Preâmbulo, SFD, DA, SA, indicação de comprimento do campo dados e CRC. Insere Pad em tramas com campo de carga menor que 46 bytes

12) Remove o Preâmbulo, SFD, DA, SA, indicação de comprimento do campo dados, CRC e Pad.

Funcionalidades da sub-camada MAC (cont.)

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• Jam Sequence– Necessário para assegurar que

todas as máquinas se apercebem de que houve uma colisão.

– Duração de 32 bits.

• IFG (Inter Frame Gap)– Necessário para que as máquinas se

apercebam que a última transmissão que estava a decorrer terminou e vai começar outra.

– É necessário comutar de transmissão para recepção e vice-versa. – O tipo de sincronismo é pseudo-síncrono (têm de se sincronizar com aquela que estiver a

transmitir no momento).

IEEE 802.3 – CSMA/CD

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IEEE 802.3 – Formato da trama MAC

• Preâmbulo: 7 x “10101010”

• SFD: Start of Frame Delimiter (10101011)

• DA: Destination Address

• SA: Source Address

• Length: Dimensão do campo Data

• Pad: Campo de enchimento

• FCS: Frame Check Sequence

DA

SA

FCS

Pad (opcional)

2 ou 6 bytes

2 ou 6 bytes

2 bytes

4 bytes

Dados 46 a 1500 bytes

Preâmbulo

SFD

Length

7 bytes

1 byte

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IEEE 802.3 – Formato da trama MAC• Preâmbulo: Destinado ao sincronismo de bit

• SFD: Marca o inicio da trama

• Endereço: (16 ou 48 bits) Os endereços dos DTE’s de uma LAN têm todos a mesma dimensão. – O primeiro bit no DA indica se endereço é de grupo ou individual. – No caso de broadcast o endereço é tudo “1’s”

• Lenght Indicator: Indica a dimensão do campo de dados.

• PAD: Utilizado para completar o numero mínimo (46) de octetos no campo de dados

• FCS: Campo de que protege os campos (DA, SA, Len, Data, Pad)• Polinómio gerador: X32 + X26 + X23 + X16 + X12 + X11 + X10 + X8 + X7 + X5 + X4 + X2 + X + 1

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IEEE 802.3 – Formato do endereço MAC

• Endereço de 48 bit

– I/G = 0 - Individual Address U/L = 0 - Globally Administred Address– I/G = 1 - Group Address U/L = 1 - Locally Administred Address

I/G U/L Endereço (46bits)

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IEEE 802.3 – Formato do endereço MAC

• Na prática actualmente só se usa o endereço a 48 bits

• Fabricante: identifica o fabricante da NIC ou porta– Ex.:

• Cisco - 00 02 4A• Bay (Nortel) - 00 04 DC• Intel - 00 A0 C9• HP - 00 60 B0

• Interface - Identifica a NIC ou porta de um fabricante

I/G U/L Fabricante (22bits) Interface (24bits)

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IEEE 802.3 – Representação dos endereços

• Em hexadecimal: 01-30-B6-01-00-5E

• Ordem dos bits em memória (bytes enviados da esquerda para a direita e bits de cada byte transmitidos da direita para a esquerda)

0 23 47| | |0000 0001 0011 0000 1011 0110 0000 0001 0000 0000 0101 1110

• Ordem dos bits no meio físico (bits transmitidos da esquerda para a direita)

0 23 47| | |1000 0000 0000 1100 0110 1101 1000 0000 0000 0000 0111 1010|

I/G

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IEEE 802.3 (CSMA/CD) – Emissão de trama

Espera por uma trama para enviarForma uma trama para envio

Portadora inactiva ? N

Espera IGT.Inicia o envio

Colisão detectada ?

S

Completa envio e activa “status transmission”

N

Envia a sequência “JAM”.Incrementa contador de tentativas

S

Num. Max. Tentativas ?

Activa “limite de tentativas”

S

Espera tempo = “backoff”

N

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IEEE 802.3 – Emissão • Recebe dados do µ-processador

• Forma a trama

• Monitoriza portadora (carrier sense)

– Se negativo espera IGT “Interframe Gap Time”• Vai enviando a trama e vai monitorizando o sinal recebido• Envia toda a trama se não detectar colisão• Espera por uma nova trama

– Havendo colisão, a unidade MAC (informada pelo “transceiver”):• interrompe o envio da trama• reforça o sinal de colisão enviando para o cabo uma “jam sequence”• espera um tempo aleatório para reenviar a trama - Nº máximo de tentativas de reenvio é de 16• O intervalo entre reenvios vai aumentando progressivamente

– Técnica “truncated binary exponential backoff”

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IEEE 802.3 – Truncated Binary Exponential Backoff

• Cálculo do tempo de espera de uma máquina para retransmitir após detecção de colisão de tramas

while Attempt < AttemptLimitK = min (Attempt, BackoffLimit)Backoff delay = Random (0, 2K) x SlotTimeSlotTime = 2 x TxDelayMax + SafetyMargin

– (Limita o comprimento mínimo da trama)

• Tem um efeito LIFO visto que a última máquina a tomar a iniciativa de transmitir espera menos tempo do que as que já fizeram várias tentativas

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• Período de contenção está dividido em slots discretos

• Em cada estação para cada trama:– Depois da 1ª colisão, espera de 0 a 1 slot (escolha aleatória) e retransmite;– Depois da 2ª colisão, espera de 0 a 3 slots (escolha aletória) e depois retransmite– ...

• Depois da n-ésima colisão espera de 0 a 2n –1 slots• Depois da 10ª tentativa escolhe K de {0, 1, 2, ... ,1023}

TRAMA TRAMA TRAMA TRAMA

Período deemissão

Período decontenção

Slots decontenção

Períodovazio

IEEE 802.3 – Truncated Binary Exponential Backoff

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IEEE 802.3 – Slot Time

• Tempo equivalente ao número mínimo de bits numa trama, para que todas as máquinas possam detectar uma colisão de tramas.

Slot time = 2 x ( Atraso de transmissão Total ) + (Margem de Segurança)

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IEEE 802.3 – Cálculo do Slot Time

• Comprimento máximo de um segmento L = 500m• Comprimento máximo da rede 5 Seg + 4 Repet.• Débito em linha Vt = 10Mbps = 107 bps• Tempo de bit bt = 1/Vt = 10-7s = 0,1 µs• Vel. Propagação Vp = C x 2/3 = 2x108 m/s• Tempo de Propagação num segmento L / Vp = 2,5 µs = 25 bt• Espaço de bit Lb=Tb x Vp = 20 m• Delay máximo de um repetidor Dr = 23 bt

• Slot time = 2 x Bits na rede + margem de segurança = 512 bits

• M1 S1 Dr1 S2 Dr2 S3 Dr3 S4 Dr4 S5 M2• (11+25+23+25+23+25+23+25+23+25+11) x 2 = 478 bits

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Detectado sinal de entrada ?

Activa sinal de detecção de portadora.Adquire sincron. bit e espera por SFD.

Recebe a trama.

Teste a FCS positivo

DA = endereço DTE local ou endereço de grupo

Trama enviada para camada superior

Y

Y

Y

Descartar trama

N

N

N

IEEE 802.3 (CSMA/CD) – Recepção da trama

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IEEE 802.3 – Parâmetros definidos na norma

• Débito – 10 Mbps

• Slot time – 512 bits (64 bytes)

• Intervalo entre tramas – 9,6 μs (96 bits)

• Maximo de tentativas – 16

• Limite de Backoff – 10

• Dimensão do pacote JAM – 32 bits

• Dimensão máxima (mínima) da trama – 1518 (64) bytes

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IEEE 802.3 – Recepção de trama

• Tramas aceites por uma Interface 802.3

– Funcionamento normal• Endereço de destino (DA) corresponde ao da Interface• Endereço de destino (DA) é o endereço de Broadcast• Endereço de destino (DA) é um endereço de Multicast

– Modo promíscuo• Qualquer trama

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IEEE 802.3 – Testes de validação da trama

• Endereço DA corresponde à estação local

• Endereço DA é “broadcast”

• FCS – CRC

• Verificação do número de bytes

• Dimensão da trama dentro dos limites standard (64 a 1518 bytes)

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IEEE 802.3 – Facilidades de Gestão

• Jabber Function (só em 10Base2 e 10Base5)– Mecanismo que permite desactivar a interface no caso de detecção de transmissões

excessivamente compridas

• Link Test (só em 10BaseT)– Envio periódico (16±8ms) de um impulso (NLP) para o meio quando este está inactivo

• NLP - Normal Link Pulse– Recepção periódica de um impulso quando o meio está inactivo

• Caso não seja recebido a interface passa ao estado de Link Fail(continua a enviar NLP e à espera de receber)

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Rede Ethernet II (CSMA/CD)

• Desenvolvida pela Xerox, Intel e DEC.

• Serviu como base à norma IEEE 802.3

• Características– Suporta as mesmas camadas físicas da norma 802.3– Unacknoledged Connectionless Service (Best-effort)– Multiplexagem de canais lógicos (Campo Type)– Endereços a 48 bits (não suporta os de 16 bits)– Não reconhece o Pad

• Passa o campo de dados às camadas superiores (mínimo 46 bytes)

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Comparação Ethernet II / IEEE 802.3

7 bytes

1 byte

2 ou 6 bytes

2 ou 6 bytes

2 bytes

4 bytes

46 a 1500 bytes

PreâmbuloSFDDA

SA

Type

FCS

Data

PreâmbuloSFDDA

SA

Length

FCSPad (opcional)

Data

Ethernet IEEE 802.3

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Exemplos de valores do campo “Type”• 0800 DOD Internet Protocol (IP)• 0801 X.75 Internet• 0805 X.25 Level 3• 0806 Address Resolution Protocol (ARP) (for IP)• 8035 Reverse Address Resolution Protocol (RARP)• 8037 IPX (Novell Netware)• 80D5 IBM SNA Services over Ethernet• 80F3 AppleTalk Address Resolution Protocol (AARP)• 8100 VLANs tag• 8137 Novell (old) NetWare IPX (ECONFIG E option)• 814C SNMP over Ethernet (see RFC1089)• 8191 PowerLAN NetBIOS/NetBEUI (PC)

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Modelo IEEE 802 – Camada LLC (802.2)

• Serviços disponibilizados - Tipos de serviço

• Classes de implementação

• Protocolo da familia HDLC

• Formato da trama

Rede

802.2

FDDI802.5(Token Ring)

802.3(CSMA/

CD)

802.4(Token Bus)

802.11(Wirelless

LAN)

Meio de transmissão

LLC

MAC

PMC

PMA

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IEEE 802.2 – Logical Link Control (LLC)

• Protocolo subconjunto do HDLC

• Multiplexagem de canais lógicos – SAP - Service Access Point

• 3 tipos de serviço– Na prática só se usa o Tipo 1 (Unacknowledged Connectionless Service)

• Possibilidades de diferentes níveis de implementação– Classes de I a IV

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IEEE 802.2 – Interacções com as outras camadas

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IEEE 802.2 – Formato da trama LLC

• DSAP: Destination SAP– (SAP – Service Access Point)

• SSAP: Source SAP– (SAP – Service Access Point)

• Control: define o tipo de trama (ver legenda)

• Info: campo com pacote ou mensagem do nível 3

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IEEE 802.2 – Formato da trama LLC Encapsulamento da trama LLC tipo 1 na trama IEEE 802.3

• Preâmbulo: (10101010)

• SFD: Start of Frame Delimiter (10101011)

• DA: Destination Address

• SA: Source Address

• Length: Dimensão do campo Data

• DSAP: Destination Service Access Point

• SSAP: Source Service Access Point

• LLC Control: Trama Unnumbered Info

• Pad: Campo de enchimento (0 .. 42 bytes)

• FCS: Frame Check Sequence

DA

SA

FCS

Pad (opcional)

2 ou 6 bytes

2 ou 6 bytes

2 bytes

4 bytes

43 a 1497 bytes

Preâmbulo

SFD

Length

7 bytes

1 byte

DSAPSSAP

LLC Control - UI 03h

1 byte1 byte1 byte

Data

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IEEE 802.2 – Tipos de tramas LLC

• Trama XID– Testar a presença de uma estação– Determinar a classe de uma estação– Determinar participantes num grupo (Multicast)– Testar endereços duplicados

• Trama TEST– Teste de loopback– A implementação do uso destas tramas é facultativa; no entanto a implementação da

resposta a estas tramas é obrigatória

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Serviços disponibilizados pela LLC

• Tipo 1: Unacknowledged Connectionless Service

• Tipo 2: Connection-Mode Service

• Tipo 3: Acknowleged Connectionless

• Existem 4 classes de LLC (I, II, III, IV) e nem todas implementam todos ostipos de serviços

XXType 3 XXType 2XXXXType 1IVIIIIII

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IEEE 802.2 – Tramas por cada tipo de serviço

AC1AC1 Ack. Connectionless Inf. Sequence 11110*111AC0AC0 Ack. Connectionless Inf. Sequence 01110*110Unnumbered

Tipo 3: Acknowledge Connectionless ServiceFRMR1110*001DM1111*000UA1100*010

DISC1100*010SABME1111*110UnnumberedREJ Reject10010000*-N(r)-RNR Receiver Not Ready10100000*-N(r)-RR Receiver Ready10000000*-N(r)-I Information0-N(s)-*-N(r)-Information Supervisory

Tipo 2: Connection-Mode ServiceTEST TestTEST Test1100*111XID Exchange IdentificationXID Exchange Identification1111*101

UI Unnumbered Information1100*000UnnumberedTipo 1: Unacknowledge Connectionless Service

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IEEE 802.2 – LLC Tipo 1 Unacknowledged Connectionless Service

• Toda a informação necessária para a comunicação é fornecida em cada pedido.

• Não é garantida a entrega.• Não informa a camada superior no caso de haver falhas.• Para a LLC não existe relação entre mensagens (não há noção de

sequência).• Transmissões ponto-a-ponto, multiponto (multicast ou broadcast).

DL-UNIT DATA.request

DL-UNIT DATA.indication

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DTE Fonte DTE Destino

Rede Rede

Interacção das sub-camadas LLC e MAC

IEEE 802.2 – LLC Tipo 1 Unacknowledged Connectionless Service

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IEEE 802.2 – Interacções com as outras camadasValores de SAPs para acesso ao nível 3

• Exemplos de SAPs atribuídos– 00 Null LSAP– 02 Individual LLC Sublayer Mgmt Function– 03 Group LLC Sublayer Mgmt Function– 06 ARPANET Internet Protocol (IP)– 42 IEEE 802.1 Bridge Spanning Tree Protocol– 7E ISO 8208 (X.25 over IEEE 802.2 Type 2 LLC)– AA Sub-Network Access Protocol (SNAP)– FE ISO Network Layer Protocol– FF Global LSAP - (“Broadcast”)

• Manufacturer-Implemented LSAPs– 98 ARPANET Address Resolution Protocol (ARP)– E0 Novell Netware

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Análise da eficiência dos protocolos vários MAC

• O desempenho do CSMA/CD degrada-se com o aumento do número de máquinas e do tráfego– O crescente numero de colisões provocam uma baixa na eficiência da rede.– Custo na largura de banda.

• Com controlo de tráfego, as colisões são quase nulas– Custo de implementar funcionalidades acrescidas.

Largura de banda Controlo de tráfego

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Eficiência de CSMA/CD em função do número de terminais

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Eficiência dos vários protocolos MAC

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Caracterização do tráfego em Ethernet| 39% | 23% | 10% | 28% | |------50%-------|

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Sumário e bibliografia

• Sumário:– Camada MAC 802.3 (CSMA/CD)– Camada MAC 802.5 (Token Ring)– Camada LLC 802.2– Eficiência das várias camadas MAC

• Bibliografia:– “Data Communications, Computer Networks and Open Systems”, Fred

Halsall, cap 6