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Parte III Camada de Enlace

Professor Reinaldo Gomesreinaldocomputacaoufcgedubr

Redes de Computadores

bull Hospedeiros e roteadores satildeonoacutes

bull Canais de comunicaccedilatildeo que conectam noacutes adjacentes aolongo do caminho de comunicaccedilatildeo satildeo enlacesbull Enlaces guiados (cabeado) bull Enlaces natildeo guiados (eg raacutedio)

bull Entidade de camada 2 quadro

Camada de enlace introduccedilatildeo

Camada de enlace tem a responsabilidade de transferir um datagrama de um noacute para o noacute adjacente sobre um enlace

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bullDatagrama transferido por protocolos de enlace diferentes sobre enlaces diferentesbull ex Ethernet no primeiro enlace frame relaynos enlaces intermediaacuterios 80211 no uacuteltimo enlace

bullCada protocolo de enlace provecirc serviccedilos diferentesbull ex pode ou natildeo prover transferecircncia confiaacutevel sobre o enlace

A camada de enlace contexto

Serviccedilos da Camada de Enlace

uml Enquadramento e acesso ao enlace curren Encapsula datagramas em quadros acrescentando

cabeccedilalhos e trailercurren Implementa acesso ao canal se o meio eacute compartilhado

lsquoendereccedilos fiacutesicosrsquo usados nos cabeccedilalhos dos quadros para Identificar a fonte e o destino dos quadros

currenDiferente do endereccedilo IP

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Delimitaccedilatildeo dos Quadrosuml Contador de caracteres

Delimitaccedilatildeo dos Quadros

uml Caracteres de inicializaccedilatildeo e finalizaccedilatildeo com caracter de preenchimento

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Delimitaccedilatildeo dos Quadrosuml Flags de inicializaccedilatildeo e finalizaccedilatildeo com caracter de

enchimento

Serviccedilos da Camada de Enlace

uml Transferecircncia dados da camada de rede da maacutequina de origem para a camada de rede do destinocurren Natildeo orientados a conexotildees e sem reconhecimenton Quadros independentesn Indicado para taxa de erros muito baixa ou traacutefego em tempo real

curren Natildeo orientados a conexotildees e com reconhecimenton Quadros confirmados individualmenten Uacutetil em canais natildeo confiaacuteveis (ex sistemas sem fio)

curren Orientados a conexotildees e com reconhecimenton Estabelecimento de conexatildeo antes da transferecircncia de dadosn Quadros confirmados individualmenten Garante que cada quadro seraacute recebido uma uacutenica vez e na ordem

correta

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Serviccedilos da Camada de Enlace

uml Controle de fluxo curren Limitaccedilatildeo da transmissatildeo entre transmissor e receptor

uml Detecccedilatildeo de erros curren Erros causados pela atenuaccedilatildeo do sinal e por ruiacutedos currenO receptor detecta a presenccedila de erros nAvisa o transmissor para reenviar o quadro perdido

uml Correccedilatildeo de erros currenO receptor identifica e corrige o(s) bit(s) errado(s) sem

recorrer agrave retransmissatildeo

Controle de Fluxo

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Protocolo Simplex sem restriccedilotildees

l Transmissatildeo de dados em um uacutenico sentido

l Camada de redes sempre prontal Buffer infinitol Natildeo haacute perda de quadros

Protocolo Simplex sem restriccedilotildees

Transmissor ReceptorEnlace

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Protocolo Simplex Pare-e-Espere (Stop-and-wait)

uml Os buffers natildeo satildeo infinitos (controle de fluxo)

uml O tempo de processamento natildeo eacute ignorado

uml O transmissor natildeo envia outra mensagem ateacute que a anterior tenha sido aceita como correta pelo receptor

uml Embora o traacutefego de dados seja simplex haacute fluxo de quadros em ambos os sentidos

Protocolo Simplex Pare-e-Espere (Stop-and-wait)

Transmissor ReceptorEnlace

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Protocolo Simplex para um Canal com Ruiacutedo

Transmissor ReceptorEnlace

X(erro) Detectado erro

Quadro ignorado

Liga timer

Estoura timer

Desliga timer

Religa timer

Protocolo Simplex para um Canal com Ruiacutedo

Transmissor ReceptorEnlace

Liga timer

Estoura timer

X(erro)

DUPLICATADesliga timer

Religa timer

SOLUCcedilAtildeO Nuacutemeros deSequecircncia

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Protocolo Simplex para um Canal com Ruiacutedouml Os quadros satildeo numerados sequencialmente

uml O transmissor transmite um quadro

uml O receptor envia um quadro de reconhecimento se o quadro for recebido corretamente caso contraacuterio haacute um descarte e eacute aguardada uma retransmissatildeo

uml Quadros natildeo reconhecidos satildeo retransmitidos (timer)

Protocolos de Janela Deslizante uml Transmissatildeo de dados bidirecional

uml Teacutecnica de carona (piggybacking)

uml Janelas para transmissatildeo e recepccedilatildeocurren Janela de transmissatildeonnuacutemeros de sequecircncia habilitados para transmissatildeo

curren Janela de recepccedilatildeonnuacutemeros de sequecircncia habilitados para recepccedilatildeo

uml Os quadros satildeo mantidos na memoacuteria para possiacutevel retransmissatildeo

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Janela Deslizante de tamanho 1

Inicialmente Apoacutes a tx do1o quadro

Apoacutes a rx do1o quadro

Apoacutes a rx do1o Reconhe-cimento

Protocolos com Pipelining

uml A janela de tamanho 1 compromete a eficiecircncia paracurren longo tempo de tracircnsito (ida e volta)curren alta largura de bandacurren comprimento de quadro curto

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Protocolos com Pipelining

uml SoluccedilatildeocurrenDeixar o transmissor transmitir ateacute w quadros (sem

receber o reconhecimento do primeiro) antes de ser bloqueado

currenw deve ser escolhido de modo que o transmissor possa transmitir quadros por um tempo igual ao de tracircnsito antes de encher a janela

Protocolos com Pipelining

uml O que fazer se um quadro no meio da janela for danificado ou perdido

uml AbordagenscurrenGo-back ncurren Retransmissatildeo Seletiva (Selective Reject)

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Protocolos com Pipelining

uml Com GBN o destino descarta qualquer quadro fora de ordem portanto natildeo necessita de um buffer

uml Destino confirma (ie ACK) um quadro recebidocorretamente com o nuacutemero de sequecircncia do uacuteltimoquadro recebido em ordem

uml A fonte inicializa um tempo de espera para cada quadrotransmitido Caso natildeo receba confirmaccedilatildeo dentro destetempo a fonte retransmite o quadro expirado e todos osquadros enviados apoacutes aquele quadro

uml A fonte pode ter ateacute W quadros esperando porconfirmaccedilatildeo

GBN ARQ Exemplo 1

tempoS

R

P

1

Timeout para o 1 (T )

τ

2 3 4

ACK

1

5

Quadro 1 eacute recebidocorretamente destino envia ACK

ACK do 1 chegaantes do seutimeout origempode enviar o quadro 5

Origem podetransmitir 4 quadrosantes que o timeout do 1 expire

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GBN ARQ Exemplo 1

timeS

R

1

timeout para o 2 (T )

τ

2 3 4

ACK

1

5

Quadros 2 a 4 chegam na ordemno receptor receptor envia osACKs para eles

ACK do 2 chegaantes do seutimeout expirar origem pode enviaro 6

ACK ACK ACK

2

6

GBN ARQ Exemplo 1

timeS

R

1

timeout para 3 (T )

τ

2 3 4

ACK

1

5

ACK ACK ACK

2

6

3

7

ACK do 3 chegaantes do seutimeout expirar origem pode enviaro 7

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GBN ARQ Exemplo 1

timeS

R

1

timeout para 4 (T )

τ

2 3 4

ACK

1

5

ACK ACK ACK

2

6

3

7

4

8

ACK do 4 chegaantes do seutimeout expirar origem pode enviaro 8 etc

GBN ARQ Exemplo 2

timeS

R

P

1

timeout (T )

τ

2 3 4

ACK ACK ACKACK

X

Todos os quadros satildeoentregues para a

camada superior mas a origem natildeo sabe

1 2 3 4

Quadros 1 a n devemser retransmitidos

2 3 4

ACK do 2 chega depois do timeoutOrigem prepara os quadros de 1 a 4 para

retransmissatildeo

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GBN ARQ Exemplo 2

timeS

R

P

1

timeout (T )

τ

2 3 4

ACK ACK ACK ACK

X

1 2 3 4

Quadros de 1 a n devemser retransmitidos

ACK ACK ACK ACK

Todos os quadros satildeodescartados

(fora da ordem)

4 4 4 4

5

Origem podefinalmente enviar osquadros seguintes

Note que o destinocontinua enviandoo 4 como o uacuteltimoquadro recebido

em sequecircncia

Todos os quadros satildeoentregues para a

camada superior mas a origem natildeo sabe

GBN ARQ Exemplo 3

timeS

R

P

1

timeout (T )

τ

2 3 4

ACK ACK ACK

X

Nenhum quadropodeser passado para a camada superior O

destino continua pedindo o 1

1 2 3 4

Quadros 1 a n devemser retransmitidos

0 0 0

ACK para o quadro 2 chega depois do timeoutOrigem jaacute preparou os quadros de 1 a 4

para retransmissatildeo

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GBN ARQ Exemplo 3

timeS

R

P

1

timeout (T )

τ

2 3 4

ACK ACK ACK

X

Nenhum quadro podeser passado para a camada superior O

destino continua pedindo o 1

1 2 3 4

Quadros 1 a n devemser retransmitidos

0 0 0

ACK ACK ACK ACK

Todos os quadros satildeorecebidos em ordem e

passados para a camada superior

1 2 3 4

Destino informa o uacuteltimo quadro

recebido em sequecircncia

5

Origem pode enviar o quadro 5

Protocolos com Pipelining

uml Retransmissatildeo seletivacurrenO noacute armazena os quadros corretos que chegarem apoacutes o

com erro O tx retransmite apenas o quadro com errocurrenAo receber o quadro que faltava o noacute entrega os diversos

quadros jaacute recebidos rapidamente e envia um reconhecimento do quadro de ordem mais alta

currenNecessita de maior quantidade de memoacuteria no noacute

Janela de recepccedilatildeo rarr maior que 1

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Repeticcedilatildeo Seletiva

Repeticcedilatildeo Seletiva

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Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Erros

Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Erros

uml Detecccedilatildeo X CorreccedilatildeocurrenMeio confiaacutevel rarr detecccedilatildeo

(+ retransmissatildeo)

currenMeio com muito ruiacutedo rarr correccedilatildeo

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Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Erros

uml Verificaccedilatildeo de ParidadeParidade com bit uacutenicoDetecta erro de um uacutenico bit

Paridade bidimensionalDetecta e corrige erro de um uacutenico

bit

Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Erros

uml Quadro = dados + bits de verificaccedilatildeo (checksum)

uml Coacutedigo de Hamminguml Coacutedigo de Redundacircncia Ciacuteclica (CRC)

n = m + r Palavra do Coacutedigo

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Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Erros

uml Coacutedigo de HammingcurrenDistacircncia de Hamming

10001001XOR 10110001

00111000currenAs propriedades de detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erros de um

coacutedigo dependem de sua distacircncia de HammingDetecccedilatildeo d erros rarr distacircncia d + 1Correccedilatildeo d erros rarr distacircncia 2d + 1

Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Erros

uml Coacutedigo de Hammingcurren n = m + rcurren r ocupa os bits que satildeo potecircncia de 2currenm ocupa os outros bitscurren r forccedila paridade par

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Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Erros

uml Coacutedigo de HammingcurrenNumere os bits

curren Preencha os bits da mensagem

currenOs bits de verificaccedilatildeo resultam de um XOR das posiccedilotildees que influecircncia

Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Erros

uml Coacutedigo de Hammingcurren Exemplom = 0 1 1 0

m1 m2 m3 m4T(x) = __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1020 21 22 23

x1 x2 m1 x3 m2 m3 m4 x4 m5 m6

1 10 0

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Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Erros

uml Coacutedigo de HammingcurrenExemplo m = 0 1 1 0

x1 = m1 + m2 + m4 = 0 + 1 + 0 = 1 x2 = m1 + m3 + m4 = 0 + 1 + 0 = 1x3 = m2 + m3 + m4 = 1 + 1 + 0 = 0

Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Erros

uml Coacutedigo de Hammingcurren Exemplom = 0 1 1 0

m1 m2 m3 m4T(x) = __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1020 21 22 23

x1 x2 m1 x3 m2 m3 m4 x4 m5 m6

1 0 1 10 01

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Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Errosuml Coacutedigo de Hammingcurren ExemploT(x) = 1100110 T(x) = 1 1 0 0 1 1 0

x1 x2

x3

m1

m2

m4

m3

111

0

0 11

rarr

0

x1 x2 m1 x3 m2 m3 m4

Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Errosuml Coacutedigo de HammingcurrenExemplo T(x) = 1 1 0 0 1 1 0

m1(3) = 1 + 2 = 20 + 21 = x1 x2m2(5) = 1 + 4 = 20 + 22 = x1 x3m3(6) = 2 + 4 = 21 + 22 = x2 x3m4(7) = 1 + 2 + 4 = 20 + 21 + 22 = x1 x2 x3

x1 = m1 + m2 + m4x2 = m1 + m3 + m4x3 = m2 + m3 + m4

x1 x2 m1 x3 m2 m3 m420 21 22

1 2 3 4 5 6 7

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Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Errosuml Coacutedigo de HammingcurrenExemplo T(x) = 1 1 0 0 1 1 0

x1 x2 m1 x3 m2 m3 m420 21 22

1 2 3 4 5 6 7

X1 X2 X3Sem ruiacutedo 1 1 0

Ruiacutedo em m1 0 0 0Ruiacutedo em m2 0 1 1Ruiacutedo em m3 1 0 1Ruiacutedo em m4 0 0 1

Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Errosuml Coacutedigo Polinomial ou Coacutedigo de Redundacircncia

Ciacuteclica (CRC)curren Polinocircmio 110001 rarr x5 + x4 + x0

(6 bits rarr grau 5)uml Procedimento no trasmissorcurren Seja G(x) o gerador polinomial de grau r Acrescente r

bits 0 ao quadrocurrenDivida o novo quadro pelo gerador G(x)curren Subtraia do quadro original o resto da divisatildeo (sem ldquovai

umrdquo)

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Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Errosuml Coacutedigo de Redundacircncia Ciacuteclica (CRC)curren Exemplo M(x) = 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0

G(x) = 1 0 0 1 1

1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1

Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de Errosuml Coacutedigo de Redundacircncia Ciacuteclica (CRC)

1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 11 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0

1 0 0 1 11 0 0 1 1

0 0 0 0 10 0 0 0 0

0 0 0 1 0

1 1 1 0 Resto

1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 01 1 1 0

T(X) = 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0

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Protocolos de acesso a meio compartilhado

Enlaces de acesso muacuteltiplo e protocolos

bull Ponto-a-ponto fiouacutenico (eg PPP SLIP) bull Broadcast fio oumeio compartilhado

bull Ethernet tradicionalbull 80211 LAN sem fio

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bull Canal de comunicaccedilatildeo uacutenico e compartilhadobull Duas ou mais transmissotildees simultacircneas pelos noacutes interferecircncia

bull Colisatildeo um noacute recebe dois ou mais sinais simultaneamente

bull Protocolo de muacuteltiplo acessobull Algoritmo distribuiacutedo que determina como as entidadescompartilham o canal isto eacute determinam quando cada estaccedilatildeopode transmitir

bull Comunicaccedilatildeo sobre o compartilhamento do canal deve utilizaro proacutepro canal

bull Ou seja nenhum canal fora-de-banda (ie out-of-band)paracoordenaccedilatildeo

Protocolos de acesso muacuteltiplo

Exemplo canal de broadcast de taxa R bps1 Quando um noacute quer transmitir ele pode enviar a

uma taxa R2 Quando M noacutes querem transmitir cada um

envia a uma taxa meacutedia RM3 Totalmente descentralizada

bull Nenhum noacute especial para coordenartransmissotildeesbull Nenhuma sincronizaccedilatildeo de reloacutegios e compartimentos

4 Simples

Protocolo ideal de muacuteltiplo acesso

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Trecircs grandes classesbull Particionamento de canal

bull Divide o canal em pedaccedilos (ie slots) menores compartimentosde tempo frequumlecircncia etc

bull Aloca um pedaccedilo para uso exclusivo de cada noacute

bull Acesso aleatoacuteriobull Canal natildeo dividido permite colisotildeesbull Necessita mecanismos para ldquorecuperaccedilatildeordquo das colisotildees

bull Passagem de permissatildeobull Noacutes transmitem nos seus turnos (mas com mais volume para

enviar podem usar turnos mais longos)

Protocolos MAC uma taxonomiaProtocolos MAC uma taxonomia

TDMA acesso muacuteltiplo por divisatildeo temporalbull Acesso ao canal eacute feito por rdquoturnos bull Cada estaccedilatildeo controla um compartimento (ldquoslotrdquo) de tamanho fixo (tamanho = tempo de transmissatildeode quadro) em cada turnobull Compartimentos natildeo usados satildeo desperdiccediladosbull Exemplo rede local com 6 estaccedilotildees 1 3 4 tecircmquadros compartimentos 2 5 6 ficam vazios

Protocolos MAC com particionamento de canal TDMAProtocolos MAC com particionamento de canal TDMA

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FDMA acesso muacuteltiplo por divisatildeo de frequumlecircnciabull Oespectro do canal eacute dividido em bandas de frequumlecircnciabull Cada estaccedilatildeo recebe uma banda de frequumlecircnciabull Tempo de transmissatildeo natildeo usado nas bandas de frequumlecircncia eacute

desperdiccediladobull Exemplo rede local com 6 estaccedilotildees 1 3 4 tecircm quadros as

bandas de frequumlecircncia 2 5 6 ficam vazias

band

as d

e fr

equumlecirc

ncia

Protocolos MAC com particionamento de canal FDMAProtocolos MAC com particionamento de canal FDMA

bull Quando o noacute tem um quadro a enviarbull Transmite com toda a taxa do canal Rbull Natildeo haacute uma regra de coordenaccedilatildeo a priori entre os noacutes

bull Dois ou mais noacutes transmitindo -gt ldquocolisatildeordquo

bull Protocolo MAC de acesso aleatoacuterio especifica bull Como detectar colisotildeesbull Como as estaccedilotildees se recuperam das colisotildees (ex via retransmissotildees

atrasadas) bull Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatoacuterio

bull slotted ALOHAbull ALOHAbull CSMA e CSMACD

Protocolos de acesso aleatoacuterioProtocolos de acesso aleatoacuterio

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Primeiro protocolo para canais de muacuteltiplo acesso Originalmente planejado para sistemas com base

stations centrais ou comunicaccedilatildeo via sateacutelite Usava duas frequecircncias Uplink em 413 MHz e Downlink em 407 MHz

trabalhando a 9600 bps

O noacute central retransmitetodos os quadros recebidos

Protocolo ALOHA

A rede eacute composta por um grande nuacutemero de estaccedilotildeesque transmitem dados em rajadas Cada estaccedilatildeo transmite um quadro assim que ele eacute

recebido do usuaacuterio ndash natildeo existe qualquer coordenaccedilatildeocom as outras estaccedilotildees para que apenas uma envie dados O noacute central retransmite todos os quadros (tenham sido

recebidos corretamente ou natildeo) atraveacutes de seu canal de down link As estaccedilotildees decidem se devem retransmitir baseado nas

informaccedilotildees que elas recebem do noacute central

Protocolo ALOHA

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Quadropronto

transmite

sim

Espera duranteround-trip time

Ackpositivosim

natildeo

Calcula um backoffrandocircmico knatildeo

Atrasa aTransmissatildeodo quadro

Protocolo ALOHA

NOVO

NOVO

P

NOVO NOVO

colisatildeo

I B I B I B I B I

NOVO

NOVO

RET

RET

RET

RET

tempo

usuaacuterio i

tempo

usuaacuterio j

tempo

soma

Protocolo ALOHA

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O throughput do ALOHA pode ser melhorado se reduzirmoso periacuteodo em que o quadro se encontra ldquovuneraacutevelrdquo a interferecircncia de outros quadros

O Slotted ALOHA trabalha em um canal que eacute particionadoem slots de tempo

As estaccedilotildees soacute podem transmitir quadros no iniacutecio dos slots de tempo

Eacute necessaacuterio que seja realizada a sincronizaccedilatildeo das estaccedilotildees Essa sincronizaccedilatildeo eacute realizada atraveacutes da camada fiacutesica e controlada pela estaccedilatildeo central

Slotted ALOHA

Quadropronto

transmite

sim

wait for a round-trip time

considerando os slots

Ackpositivo

sim

natildeo

Calcula um backoffrandocircmico k

natildeo

Atrasa aTransmissatildeodo quadro

Aguarda pelo proacuteximo slot

Slotted ALOHA

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P τ

colisatildeo

tempo

usuaacuterio i

tempo

usuaacuterio j

tempo

soma

time slot

I B I B B I B

NOVO

NEW

NOVO

NEW

NOVO

NOVO RET

RET

Slotted ALOHA

CSMA escuta antes de transmitirbull Se o canal parece vazio transmite o quadrobull Se o canal estaacute ocupado adia a transmissatildeo

bull Persistentebull Caso o meio estiver ocupado o noacute persiste escutando e quando o meio

ficar livre temos duas possibilidadesbull 1-Persistente transmite o quadro (ie p probabilidade igual a 1)bull P-Persistente com probabilidade P transmite e com probabilidade 1-P recua

bull Natildeo Persistentebull Calcula tempo de recuo (ie backoff) e permanece inativo pelo tempo

estipulado (tempo de recuo eacute decrementado somente enquanto o meioestiver LIVRE Caso o meio ficar ocupado congela contador ateacute o meioficar livre novamente Necessariamente o meio estaraacute livre quando o contador zerar)

CSMA Carrier Sense Multiple AccessCSMA Carrier Sense MultipleAccess

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Colisotildees podem ocorrero atraso de propagaccedilatildeo implicaque dois noacutes quaisquer podemnatildeo ouvir as transmissotildees do outro

Colisatildeotodo o tempo de transmissatildeo do quadro eacute desperdiccedilado

Notepapel da distacircncia e do atraso de propagaccedilatildeo na determinaccedilatildeo daprobabilidade de colisatildeo arranjo espacial dos noacutes na rede

Colisotildees no CSMAColisotildees no CSMA

CSMACD detecccedilatildeo de portadora como no CSMAbull Colisotildees detectadas num tempo mais curto (proporcional aotempo de propagaccedilatildeo)bull Transmissotildees com colisotildees satildeo interrompidas reduzindo o desperdiacutecio do canal bull Detecccedilatildeo de colisatildeo

bull Faacutecil em LANs cabeadas mediccedilatildeo da intensidade do sinal comparaccedilatildeodos sinais transmitidos e recebidosbull Difiacutecil em LANs sem fio receptor desligado enquanto transmitindo (e aleacutem do mais colisatildeo acontece no receptor natildeo no transmissor)bull Analogia humana o ldquobom de papordquo educado

CSMACD (detecccedilatildeo de colisatildeo) CSMACD (detecccedilatildeo de colisatildeo)

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CSMACD detecccedilatildeo de colisatildeoCSMACD (detecccedilatildeo de colisatildeo)

Tecnologia de rede local ldquodominanterdquo bull Primeira tecnologia de LAN largamente usadabull Mais simples e mais barata que LANs com token e ATMbull Velocidade crescente 10Mbps ndash 10Gbps

Esboccedilo da Ethernetpor Bob Metcalf

Ethernet

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Ethernetbull Sem conexatildeo natildeo ocorre conexatildeo entre o adaptador transmissor e o receptor bull Natildeo confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia ACKs ou nacks para o adaptador

transmissorbull O fluxo de datagramas que passa para a camada de rede pode deixar lacunasbull Lacunas seratildeo preenchidas se a aplicaccedilatildeo estiver usando TCPbull Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

bull Ethernet se baseia no mecanismo do CSMACDbull Sem slots de tempobull Adaptador natildeo transmite se ele detectar algum outro adaptador transmitindo isto eacute carrier sensebull O adaptador transmissor aborta quando detecta outro adaptadortransmitindo isto eacute collision detectionbull Antes de tentar uma retransmissatildeo o adaptador espera um periacuteodo aleatoacuterio isto eacute random access

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

Preacircmbulobull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido por um byte com padratildeo

10101011bull usado para sincronizar as taxas de reloacutegio do transmissor e do

receptor

Quadro Ethernet

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bull Endereccedilos 6 Bytesbull Se o adaptador recebe um quadro com endereccedilo de destino coincidente ou com endereccedilo de broadcast (ex pacote ARP) ele passa o dado no quadro para o protocolo da camada de rede

bull Tipo indica o protocolo da camada superior geralmente eacute o protocolo IP mas outros podem ser suportados tais como Novell IPX e AppleTalk)

bull CRC verificado no receptor se um erro eacute detectado o quadro eacute simplesmente descartado

Quadro Ethernet

1 Adaptador recebe um datagrama da camada de rede e cria um quadro2 Se o adaptador detecta um canal livre ele comeccedila a transmitir o quadro Se

ele detecta o canal ocupado espera ateacute ele ficar livre e entatildeo transmite3 Se o adaptador transmite o quadro todo sem detectar outra transmissatildeo sua

missatildeo com esse quadro estaacute cumprida4 Se o adaptador detecta outra transmissatildeo enquanto transmite ele aborta e

envia um jam signal5 Apoacutes abortar o adaptador entra em exponential backoff apoacutes a m-eacutesima

colisatildeo o adaptador escolhe um K aleatoacuterio de 012hellip2m-1 O adaptador espera K512 tempos de bit e retorna ao passo 2

Algoritmo CSMACD da EthernetCSMACD do Ethernet

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Jam signal garante que todos os outros transmissores estatildeo cientes da colisatildeo 48 bitsBit time 1 microseg para Ethernet de 10 Mbpspara K=1023 o tempo de espera eacute cerca de 50 mseg

Exponential backoffbull Objetivo adaptar tentativas de retransmissatildeo para carga atual da rede

bull Carga pesada espera aleatoacuteria seraacute mais longabull Primeira colisatildeo escolha K entre 01 espera eacute

K x 512 tempos de transmissatildeo de bitbull Apoacutes a segunda colisatildeo escolha K entre 0 1 2 3hellipbull Apoacutes 10 ou mais colisotildees escolha K entre 0 1 2 3 4hellip1023

Ethernet CSMACDCSMACD do Ethernet

bull 80211bbull 24 GHz faixa de raacutedio sem licenccedilabull Ateacute 11 Mbpsbull Direct sequence spread spectrum (DSSS) na camada fiacutesica

bull Todos os hospedeiros usam a mesma sequumlecircncia de coacutedigobull Largamente empregado usando estaccedilotildees-base (pontos de acesso)

bull 80211a bull Faixa 5 GHz bull Ateacute 54 Mbps

bull 80211g bull Faixa 24 GHz bull Ateacute 54 Mbps

bull Todos usam CSMACA para acesso muacuteltiplobull Todos tecircm estaccedilotildees-base e versatildeo para redes ad hoc

IEEE 80211 LAN sem fio

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bull Hospedeiro sem fio se comunica com a estaccedilatildeo-basebull Estaccedilatildeo-base = ponto de

acesso (AP)bull Basic Service Set (BSS) (ou

ldquoceacutelulardquo) no modo infra-estrutura conteacutembull Hospedeiros sem fiobull Ponto de acesso (AP)

estaccedilatildeo- basebull Modo ad hoc somente

hospedeiros

80211 arquitetura de LAN

80211 Canais associaccedilatildeo

bull 80211b o espectro de 24 GHz-2485 GHz eacute dividido em 11 canaisde diferentes frequumlecircncias

bull O administrador escolhe a frequumlecircncia para o AP

bull Possiacutevel interferecircncia canal pode ser o mesmo que aqueleescolhido por um AP vizinho

bull Hospedeiro deve associar-se com um AP

bull Percorre (scanning) canais buscando quadros beacon que contecircm o nome do AP (SSID) e o endereccedilo MAC

bull Escolhe um AP para se associarbull Pode realizar autenticaccedilatildeo

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bull Evita colisotildees 2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempobull 80211 CSMA ndash escuta antes de transmitir

bull Natildeo colide com transmissotildees em curso de outros noacutesbull 80211 natildeo faz detecccedilatildeo de colisatildeo

bull Difiacutecil de receber (sentir as colisotildees) quando transmitindo devido aosinal recebido ser muito fraco (desvanecimento)

bull Pode natildeo perceber as colisotildees colisatildeo acontece no receptorhbull Meta evitar colisotildees CSMAC(collision)A(voidance)

IEEE 80211 acesso muacuteltiplo

Transmissor 802111 Se o canal eacute percebido quieto (idle) por

DIFS entatildeobull Transmite o quadro inteiro (sem CD)2 Se o canal eacute percebido ocupado entatildeobull Inicia um tempo de backoff aleatoacuteriobull Temporizador decrementa contador

enquanto o canal estiver ociosobull Transmite quando temporizador expira

Se natildeo recebe ACK aumenta o intervalode recuo (backoff) aleatoacuterio repete passo2

Receptor 80211 bull Se o quadro eacute recebido corretamente

retorna ACK depois de SIFS (ACK eacute necessaacuterio devido ao problema do terminal oculto)

IEEE 80211 Protocolo MAC CSMACA

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Ideacuteia permite o transmissor ldquoreservarrdquo o canal em vez de acessaraleatoriamente ao enviar quadros de dados evita colisotildees de quadrosgrandes

bull Transmissor envia primeiro um pequeno quadro chamado request to send (RTS) agrave estaccedilatildeo-base usando CSMA

bull RTSs podem ainda colidir uns com os outros mas satildeo pequenos

bull BS envia em broadcast clear to send CTS em resposta ao RTS

CTS eacute ouvido por todos os noacutes

bullTransmissor envia o quadro de dadosbullOutras estaccedilotildees deferem suas transmissotildees

bullApoacutes recepccedilatildeo do quadro destinataacuterio envia confirmaccedilatildeo (ie ACK)

Evitando colisotildees

Quadro 80211 endereccedilamento

Endereccedilo 2 endereccedilo MACdo hospedeiro sem fio ou AP transmitindo este quadro

Endereccedilo 1 endereccedilo MAC doHospedeiro ou Access Point (AP) que deve receber o quadro

Endereccedilo 3 endereccedilo MACda interface do roteador agrave qual o AP eacute ligado

Endereccedilo 4 usado apenas no modo ad hoc

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Duraccedilatildeo do tempo detransmissatildeo reservada (RTSCTS)

seg do quadro(para ARQ confiaacutevel)

Tipo de quadro(RTS CTS ACK dados)

Quadro 80211

Protocolos MAC com particionamento de canaisbull Compartilham o canal eficientemente quando a carga eacute alta e bem

distribuiacutedabull Ineficiente nas cargas baixas atraso no acesso ao canal A estaccedilatildeo

consegue uma banda de 1N da capacidade do canal mesmo que haja apenas 1 noacute ativo

Protocolos MAC de acesso aleatoacuteriobull Eficiente nas cargas baixas um uacutenico noacute pode usar todo o canalbull Cargas altas excesso de colisotildees

Protocolos de passagem de permissatildeoBuscam o melhor dos dois mundos

Protocolos MAC com passagem de permissatildeoProtocolos MAC com passagem de permissatildeo

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Pollingbull Noacute mestre ldquoconvidardquo os escravos a transmitirem um de cada vezbull Problemas

bull Polling overhead bull Latecircnciabull Ponto uacutenico de falha (mestre)

Token passingbull Controla um token passado de um noacute a outro sequumlencialmentebull Mensagem tokenbull Problemas

bull Token overhead bull Latecircnciabull Ponto uacutenico de falha (token)

Protocolos MAC com passagem de permissatildeoProtocolos MAC com passagem de permissatildeo

bull Como se faz com um canal compartilhadobull Particionamento de canal no tempo por frequumlecircncia ou porcoacutedigobull Particionamento aleatoacuterio (dinacircmico)

bull ALOHA Slotted-ALOHA CSMA CSMACDbull Detecccedilatildeo de portadora faacutecil em alguns meios fiacutesicos

(eg cabos) e difiacutecil em outros (eg wireless) bull CSMACD usado na rede Ethernetbull CSMACA (Collision Avoidance) usado em 80211

mode ad hocbull Passagem de permissatildeo

bull Polling a partir de um noacute central passagem de token

Sumaacuterio dos protocolos MACSumaacuterio dos protocolos MAC

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Endereccedilamento da camada de enlace

Endereccedilos IP de 32-bit bull Endereccedilos da camada de rede bull Usados para levar o datagrama ateacute a rede de destino (lembre-se da

definiccedilatildeo de rede IP)

Endereccedilo de LAN (ou MAC ou fiacutesico) bull Usado para levar o datagrama de uma interface fiacutesica a outra

fisicamente conectada com a primeira (isto eacute na mesma rede) bull Endereccedilos MAC com 48 bits (na maioria das LANs)

gravados na memoacuteria fixa (ROM) do adaptador de rede

Endereccedilos de LAN e ARPEndereccedilos de LAN e ARP

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bull A alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC eacute administrada pelo IEEEbull O fabricante compra porccedilotildees do espaccedilo de endereccedilo MAC (para

assegurar a unicidade)

bull Analogia(a) endereccedilo MAC semelhante ao nuacutemero do RG(b) endereccedilo IP semelhante a um endereccedilo postal

bull Endereccedilamento MAC eacute ldquoflatrdquo =gt portabilidade bull Eacute possiacutevel mover uma placa de LAN de uma rede para outra sem

reconfiguraccedilatildeo de endereccedilo MAC

bull Endereccedilamento IP ldquohieraacuterquicordquo =gt NAtildeO portaacutevelbull Depende da rede na qual se estaacute ligado

Endereccedilos de LAN (mais) Endereccedilos de LAN e ARP

Questatildeo como determinar o endereccedilo MAC de Bdado o endereccedilo IP de Bbull Cada noacute IP (hospedeiro roteador) numa LAN tem um moacutedulo e uma tabelaARPbull Tabela ARP mapeamento de endereccedilos IPMAC para alguns noacutes da LAN

lt endereccedilo IP endereccedilo MAC TTLgt

lt IP address MAC address TTLgtbull TTL (Time To Live) tempo depois do qual o mapeamento de endereccedilos seraacute

esquecido (tipicamente 20 min)

ARP Address Resolution Protocol (Protocolo de resoluccedilatildeo de endereccedilos) ARP Address Resolution Protocol(Protocolo de resoluccedilatildeo de endereccedilos)

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bull A que enviar um datagrama para B e o endereccedilo MAS de B natildeo estaacute natabela ARP de A

bull A faz broadcast de pacote de consulta ARB contendo o endereccedilo IP de Bbull end MAC de destino = FF-FF-FF-FF-FF-FFbull todas as maacutequinas na LAN recebem a consulta ARP

bull B recebe o pacote ARP responde para A com seu endereccedilo MAC (de B)bull Quadro enviado para o end MAC de A (unicast)

bull A faz um cache (salva) o par de endereccedilos IP para MAC em sua tabelaARP ateacute que a informaccedilatildeo se torne antiga (expirada) soft state informaccedilatildeo que expira (eacute descartada) sem atualizaccedilatildeo

bull ARP eacute ldquoplug-and-playrdquobull Noacutes criam suas tabelas ARP sem intervenccedilatildeo do administrador da rede

Protocolo ARP Mesma LAN (network) ARP na mesma rede local

objetivo envia datagrama de A para B via Rsupotildee que A conhece o endereccedilo IP de B

bull Duas tabelas ARP no roteador R um para cadarede IP (LAN)

Roteamento para outra LANRoteamento e ARP

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bull A cria o pacote IP com origem A destino B bull A usa ARP para obter o endereccedilo de camada fiacutesica de R correspondente ao

endereccedilo IP 111111111110bull A cria um quadro Ethernet com o endereccedilo fiacutesico de R como destino o

quadro Ethernet conteacutem o datagrama IP de A para B bull A camada de enlace de A envia o quadroEthernetbull A camada de enlace de R recebe o quadro Ethernet bull R remove o datagrama IP do quadro Ethernet verifica que ele se destina a

Bbull R usa ARP para obter o endereccedilo fiacutesico de B bull R cria quadro contendo um datagrama de A para B e envia para B