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Redes de Computadores

Prof. Macedo Firmino

Camada de Enlace de Dados

Macedo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Janeiro de 2013 1 / 48

Pilha TCP/IP

Meio Físico

Transporte

Rede

Física

Enlace de dados

Aplicação

Transporte

Rede

Física

Enlace de dados

Aplicação

A B

M1

M1

CabT

M1

CabT

CabR

M1

CabT

CabR

CabE

1011001010001011

M1

M1

CabT

M1

CabT

CabR

M1

CabT

CabR

CabE

1011001010001011

CDE CDE



Funcoes:

Enquadramento: divide a cadeia de bits recebidos em unidades denominadosquadros ou frames.

Enderecamento fısico (MAC): adiciona um cabecalho a cada quadro paradefinir o transmissor e o receptor local do quadro especıfico;

Controle de fluxo: para evitar que o transmissor envie uma quantidade dedados maior do que o receptor pode processar;

Controle de erro: e adicionado num campo no final do quadro com afinalidade de propor confiabilidade aos dados recebidos, atraves de ummecanismo de deteccao, perdas e retransmissao de quadros;

Controle de acesso: se existirem muitos computadores e todos desejaremenviar os dados ao mesmo tempo.



Protocolos de enlace fornecem comunicacao entre nos (host ouroteadores) em um enlace. Enlace e um canal de comunicacao entrenos adjacentes.

A camada de enlace e a camada fısica sao geralmente implementadasno “adaptador” de rede (ou placa de interface de rede).

InternetProcessos Processos

EnlaceEnlace Enlace Enlace

Rede

Transporte


Deteccao de Erros

A premissa fundamental sobre rede de dados e que elas devem sercapazes de transferir dados de um dispositivo a outro com totalprecisao.

Tipos de Erros:

Erros Isolados: e modificado um unico bit por vez na sequencia dedados;

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

0 é trocado pelo 1

Rajada de Erros: dois ou mais bits da sequencia de dados saocorrompidos.

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

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

Vários bits alterados


Deteccao de Erros

As deteccoes de erros utilizam o conceito de redundancia, que e atecnica de adicionar bits extras no final da unidade de informacao.

Os dois principais tipos de verificacao de redundancia sao:

CRC;Checksum.

Verificação da

Redundância

Correto

Errado

1011011001110 10110011011001

1011011001110

Descarta

Dados

Dados + Redundância1011011001110 10110011011001

1011011001110


CRC

A tecnica CRC baseia-se em uma divisao binaria. Uma sequencia de bits

de redundancia, denominados bits de CRC, sao acrescentados no final dobloco de dados de maneira a tornar todo o bloco resultante divisıvel porum numero binario predeterminado (divisao modulo 2). No lado receptor,o bloco e dividido pelo mesmo numero binario. Se o resto da divisao forzero os dados estao intactos.

Dados CRC

Dados CRC

Divisor

Resto

Receptor

Dados 00...0

Divisor

CRC

Transmissor

n bits

n+1 bits

O CRC devera ter um bit a menos que o divisor. O CRC e usado emdiversos padroes de redes locais (tais como, Ethernet e 802.11).


CRC - Aritmetica Binaria

Funcao XOR:

0 ⊕ 0 = 00 ⊕ 1 = 11 ⊕ 0 = 11 ⊕ 1 = 0

Funcao Adicao:

0 + 0 = 00 + 1 = 11 + 0 = 11 + 1 = 10


CRC - Gerador (Exemplo)

100100000 1101

Dados mais zeros extras

Divisor

Quociente

Resto

Quando o bit mais à esquerda for zero,

devemos usar 0000 no lugar do divisor

original

110110001101 1010

110111101101 0110

0000 1100

1101 001

111101

Dados + CRC100100 001


CRC - Verificador (Exemplo)

100100001 1101

Dados + CRC

Divisor

Quociente

Resto

110110001101 1010

110111101101 0110

0000 1101

1101 000

111101


Checksum

A tecnica de Checksum baseia-se na soma binaria e complemento deum. Os dados sao divididos em segmentos de dados. Todos ossegmentos sao somados, atraves das regras da arimetica decomplemento de um. Apos a soma o resultado e complementado paragerar o Checksum ou verifica-lo.

O Checksum e usado nos protocolos TCP, UDP e IP.


Checksum - Gerador

O bloco de dados e dividido segmentos de n-bits. Todos osseguimentos sao somados, atraves das regras da aritmetica decomplemento de um. Finalmente e realizado o complemento doresultado da soma para gerar o checksum.

1010100100111001 Dados

10101001 00111001Dividir o bloco de

dados com 8bits

1010100100111001

1110001000011101 Complemento de um

00011101 Checksum

1010100100111001

Dados + Checksum

00011101

Soma


Checksum - Verificador

O bloco de dados e dividido em segmentos de n-bits. Todos osseguimentos sao somados, atraves das regras da aritmetica decomplemento de um. Finalmente e realizado o complemento doresultado da soma para gerar o checksum. Se o resultado e zero, osdados sao aceitos.

10101001 00111001 00011101 Dividir o bloco de

dados com 8bits

1010100100111001

1111111100000000 Complemento de um

00000000 Checksum

Soma

1010100100111001 Dados + Checksum00011101

00011101


Deteccao de Erros - Comparacao

O CRC pode detectar todas as rajadas de erros cujo comprimentoforem menores que ou igual ao grau do polinomio gerador. Caso asrajadas de erros sejam maiores, o CRC podera detectar com umaprobabilidade muito alta.

O Checksum detecta todos os erros envolvendo uma quantidadeımpar de bits, assim como a maioria dos erros envolvendo umaquantidade par.


Controle de Erros

Uma vez detectado o erro o receptor realiza o controle de erro.

O controle de erro permite ao receptor informar ao transmissor sobrequais quadros foram perdidos ou corrompidos na transmissao,solicitando a retransmissao;

O controle de erros implementado na camada de enlace e baseado nadeteccao e retransmissao.


Controle de Fluxo

Todo dispositivo possui um limite de velocidade, para o qual o fluxode dados pode ser processado, e uma quantidade de memoria onde osdados de entrada sao armazenados;

O fluxo de dados nao deve permitir que o dispositivo receptor sejainundado por dados. Para isso, o receptor devera informar aotransmissor que o limite de capacidade esta proximo de ser alcancadoe requer uma taxa de transmissao menor ou ate mesmo uma paradana transmissao;

O controle de fluxo coordena o volume de dados que podem serenviados antes de receber uma mensagem de confirmacao (ack -acknowledgment).


Selective-Repeat ARQ

O Selective-Repeat e um mecanismo de controle de erros e controlede fluxo.

O dispositivo transmissor mantem uma copia do ultimo frame

(quadro) transmitido ate receber uma resposta de confirmacao (frame

de ACK, acknowledgment). O receptor envia respostas positivas(ACKs) somente para frame recebidos e aceitos.

O transmissor dispara um relogio quando e enviado um frame. Se aresposta ACK nao for recebida dentro do intervalo de tempopredefinido, o transmissor assume que houve uma perda desse frame eo reenvia;

E definida uma mensagem de confirmacao negativa (NAK - NegativeAcknowlegment) que informa ao transmissor que um determinadoquadro nao foi recebido;


Selective-Repeat ARQ

No transmissor usamos o conceito de janela para manter em memoriatodos os frames pendentes ate que sejam recebidos os respectivosACKs. Um frames so deixa a janela quando receber um ACK,liberando o espaco para outros frames;No receptor tambem possui uma janela que ira ser utilizada parareceber uma faixa de numeros de sequencia.

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3Frames confirmados Frames aguardando transmissão

Frames aguardando confirmação

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3

Frames aguardando recebimento

Frames futuros

a) janela do transmissor

b) janela do receptor

Frames confirmados


Selective-Repeat ARQ - Funcionamento

Transmissor Receptor

Frame 0

Frame 1

NAK 2

Ack 2

Frame 2

Frame 3

Tempo Tempo

0 1 2 3

0 1 2 3

0 1 2 3

0 1 2 3

0 1 2 3

0 1 2 3 4

0 1 2 3 4

0 1 2 3 4

0 1 2 3 4X

0 1 2 3 4

0 1 2 3 4Frame 2

ACK 40 1 2 3 4

0 1 2 3 4 5 60 1 2 3


Controle de Acesso

Quando nos de redes sao conectados de maneira a compartilhar umenlace, precisamos de um protocolo para coordenar o acesso aoenlace. Por exemplo, redes locais sem fio, comunicacao por satelite eEthernet padrao.

Em redes com enlace dedicado (sem compartilhamento) nao faz usodo controle de acesso. Por exemplo, nas redes Fast Ethernet eGigabit Ethernet.

No metodo de acesso aleatorio cada estacao tem direito ao meio, semser controlada por outra estacao. Entretanto, se mais de uma estacaotentar transmitir ao mesmo tempo ocorrera um conflito de acesso(colisao) e os quadros sao perdidos;

Sao tecnicas de acesso aleatorio:

CSMA/CD (CSMA with Collision Detection);CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance).


CSMA

O metodo CSMA foi desenvolvido para minimizar a probabilidade decolisao. A chance de colisao e reduzida se uma estacao verificar omeio antes de tentar utiliza-lo;

Neste metodo cada estacao ouve o meio (verifica o estado do meio)antes de iniciar uma transmissao. Se perceber canal ocupado, adiatransmissao.

Verifica o canal

OcupadoSim

Não

Transmite o frame

Espera

Estratégia não persistente Estratégia persistente

Verifica o canal

OcupadoSim

Não

Transmite o frame com probabilidade p


CSMA/CD

Qualquer estacao pode transmitir um frame. Entao, a estacaomonitora o meio para verificar se ocorreu colisao.

Início

Coloca o parâmetro de backoff em zero

Transmite o frame

Colisão?

Sucesso

Incrementabackoff

Limite backoff ?

Aborta

Espera um tempode backoff

Sim

Não

Não

Sim

Estratégia depersistência

Transmite osinal jam


CSMA/CD

O CSMA/CD identifica quando o canal esta disponıvel para atransmissao. Neste momento a transmissao e iniciada. O mecanismoCD (deteccao de colisao) ao mesmo tempo obriga que os nos escutema rede enquanto emitem dados. Se o mesmo detecta uma colisao,toda transmissao e interrompida e e emitido um sinal (“jam”) paraanunciar que ocorreu uma colisao. Para evitar colisoes sucessivas o noespera um perıodo aleatorio e volta a tentar transmitir.

O metodo CSMA/CD e utilizado nas redes Ethernet padrao.

O sinal jam (congestionamento) e uma mensagem para informar asoutras estacoes que ocorreu uma colisao durante a transmissao.Todas as estacoes irao descatar o frame recebido;


CSMA/CAInício

Coloca o parâmetro de backoff em zero

Transmite o frame

Sucesso

Incrementabackoff

Limite backoff ?

Aborta

Espera um tempode backoff

Sim

Não

Não

Sim

Estratégia depersistência

Espera o tempo de IFG

Aguarda duranteum tempo aleatório

Disparaum timer

ACK recebido, antes do time-out?

O CSMA/CA procurasomente evitar colisoes enao detecta-las.

Este metodo e utilizadonas wireless Lans.


Enderecamento MAC

Cada estacao numa rede possui seu proprio adaptador de rede (NIC -Network Interface Card). Cada adaptador possui um endereco de6-bytes (48 bits). Estes enderecos que sao escritos normalmente emnotacao hexadecimal (12 dıgitos) separada por dois pontos entre osbytes. Por exemplo:

0A : 13 : 78 : B3 : FF : 02

Os tres primeiros octetos sao destinados a identificacao do fabricante,os 3 posteriores sao fornecidos pelo fabricante.

E um endereco unico, i.e., nao existem, em todo o mundo, duasplacas com o mesmo endereco.


Ethernet

A tecnologia Ethernet corresponde a um conjunto de protocolos quedefinem a camada fısica e a camada de enlace para as LANs.

A tecnologia Ethernet e dividida em:

Ethernet padrao;Fast Ethernet;Gigabit Ethernet.


Ethernet Padrao

A Ethernet padrao foi desenvolvida para funcionar a 10 Mbps. Ela eimplementado atraves de quatro subcamadas (LLC, MAC, PLS,MAU), uma interface (AUI) e um transceptor (MDI).

Camada

de enlace

Camada

física

Meio de transmissão

AUI

MDI

PLS

LLC

MAC

MAU


Ethernet Padrao

A subcamada LLC foi desenvolvida para garantir a interoperabilidadede todas as LANs, mas nao e usada com muita frequenciaatualmente. Em vez disso, a interoperabilidade e assegurada peloprotocolo da camada de rede (IP).

A subcamada MAC governa todas as operacoes do metodo de acesso(CSMA/CD). Esta subcamada recebe os frames da camada superior eos passa para a subcamada PLS para codificacao.

Subcamada PLS (Physical Layer Signaling) codifica e decodifica osdados. A Ethernet utiliza a codificacao Manchester a uma taxa de 10Mbps;


Ethernet Padrao

A interface AUI (Attachment Unit Interface) define a interface entreas subcamadas PLS e MAU. Esta interface tem como objetivo decriar uma interface independente do meio fısico;

O MAU (Medium Attachment Unit) e um transceptor dependente domeio fısico. Um transceptor e um dispositivo que possui a capacidadede transmitir sinais no meio e receber sinais do meio. Outrafuncionalidade do transceptor e detectar a colisao;

A interface MDI (Medium-Dependent Interface) e responsavel porconectar o transceptor com o meio fısico.


Ethernet Padrao

O quadro definido pela subcamada MAC do padrao Ethernet:

Preâmbulo SFD End. End. Tamanho/ Destino Origem Protocolo

Cabeçalho Dados CRC

7 1 6 6 2 (bytes)

46-1500 4 (bytes)


Ethernet Padrao

Cabecalho: e formado pelos campos:

Preambulo: possuem 7 bytes formados por 0s e 1s alternados(10101010) para sincronizacao dos sistema receptor;SFD: campo delimitador de ınicio de quadro o byte (10101011) sinalizao fim da sincronizacao e o ınicio das informacoes;Endereco de Destino: contem o endereco fısico da estacao que devereceber o pacote;Endereco de Origem: contem o endereco fısico da estacao que originoua transmissao;Comprimento/tipo do protocolo: define o comprimento do quadro ou otipo do protocolo encapsulado no frame;

Dados: transporta os dados encapsulados pelos protocolos da camadasuperior. Este campo possui o mınimo de 46 e o maximo de 1500bytes;

CRC: carrega informacoes sobre deteccao de erro,neste caso o CRC-32.


Ethernet Padrao

Implementacoes da Camada Fısica:

10Base5: utiliza cabo coaxial grosso na topologia de barramento,opera a 10 Mbps e pode aceitar segmentos de ate 500 m.

10Base2: utiliza cabo coaxial fino na topologia de barramento, operaa 10 Mbps, utiliza conectores BNC. Este padrao consegue alcances de185 metros, podendo estar ligadas apenas 30 maquinas por segmento.

10BaseT: utiliza cabo par trancado na topologia estrela. As estacoessao conectadas a um hub. Este padrao opera a 10 Mbps, tem umalcance de 100 m e pode conectar ate 1.024 estacoes num segmento.

10BaseFL: utiliza fibra optica na topologia em estrela. Este padraoopera a 10 Mbps, tem um alcance de 2 km e pode conenctar ate1.024 estacoes.


Fast Ethernet

O protocolo Fast Ethernet foi desenvolvida para operar a 100 Mbps,mantendo a compatibilidade com o Ethernet padrao.

Permite dois modos de operacao: half-duplex e full-duplex.

Ela e implementada atraves de quatro subcamadas (LLC, MAC, RS ePHY) e duas interfaces (MII e MDI).

Camada

de enlace

Camada

física


MII

MDI

RS

LLC

MAC

PHY


Fast Ethernet

A subcamada MAC do Fast Ethernet e a mesma da Ethernet padrao,porem o CSMA/CD so e utilizada quando for utilizado o modohalf-duplex.

Uma nova caracterıstica agregada ao Fast Ethernet foi aautonegociacao. A autonegociacao tem os seguintes propositos:

A necessidade de manter a compatibilidade com as LANs Ethernetexistentes;Possibilitar varias velocidades de transmissao a um dispositivo (10Mbps e 100 Mbps).

Quando ambos os lados de um enlace possuem suporte aautonegociacao, eles escolhem a combinacao de parametros que daramelhor desempenho. Isto e, a maior velocidade possıvel e escolhida(10 Mbps, 100 Mbps ou 1000 Mbps) e o modo full-duplex eescolhido, caso seja suportado por ambos os lados.


Fast Ethernet

A subcamada RS (reconciliacao) tem a funcao de obter os dados dasubcamada MAC e repassar para a subcamada PHY;

A interface MII define a interface entre as subcamadas RS e PHY.Esta interface tem como objetivo de criar uma interface independentedo meio (cabo coaxial, par trancado, etc.), operar tanto em 10quanto em 100 Mbps e proporcionar uma conexao paralela (4-bits)entre as subcamadas RS e PHY;

A subcamada PHY e o transceptor dependente do meio fısico. Alemde transmitir e receber sinais o transceptor PHY e responsavel pelacodificacao e decodificacao;

A interface MDI e responsavel por conectar o transceptor com o meiofısico.


Fast Ethernet

Implementacao da camada fısica:

100BaseTX: usa dois pares do cabo par trancado (cabos UTP ouSTP, no mınimo, categoria 5e) na topologia estrela. Transmite dadosa uma taxa de 100 Mbps, full-duplex e possui alcance de 100 m;

100BaseFX: utiliza dois filamentos de fibra multimodo, full-duplex, natopologia estrela. Transmitindo dados a uma taxa de 100 Mbps a umalcance de ate 2 km;

100BaseT4: utiliza quatro pares trancados (cabos UTP ou STP, nomınimo, categoria 3) para transmitir a 100 Mbps a alcances de ate100 m.


Gigabit Ethernet

O protocolo Gigabit Ethernet foi desenvolvida para operar a 1000Mbps, mantendo a compatibilidade com os outros padroes Ethernetexistentes.

Ela e implementada atraves de cinco subcamadas (LLC, MAC, RS ePHY) e duas interface (GMII e MDI).

Camada

de enlace

Camada

física


MDI

RS

LLC

MAC

PHY

GMII


Gigabit Ethernet

Subcamada MAC tem duas opcoes para o metodo de acesso: modohalf-duplex com CSMA/CD ou modo full-duplex sem CSMA/CD;

A subcamada de reconciliacao (RS) transmite, paralelamente, 8-bitspara a camada PHY via interface GMII;

A Interface GMII e uma especificacao que define como a subcamadaRS e conectada a subcamada PHY;

A Subcamada PHY (transceptor) e dependente do meio fısico etambem faz a codificacao e decodificacao;

A Interface MDI conecta o transceptor ao meio fısico.


Gigabit Ethernet

Implementacoes da camada fısica:

1000BaseSX: utiliza dois pares de fibra optica multimodo, comdistancias de ate 550 m, a taxa de 1000 Mbps;

1000BaseLX: utiliza dois pares de fibra optica multimodo oumonomodo, com distancias de ate 5 km, a taxa de 1000 Mbps;

1000BaseCX: utiliza dois pares de par trancado STP, com distanciasde ate 25 m, a taxa de 1000 Mbps;

1000BaseT: utiliza quatro pares de par trancado UTP, no mınimocategoria 5e, com distancias de ate 100 m, a taxa de 1000 Mbps.


Equipamentos de Rede

Para que uma rede de computadores possa funcionar e necessario queexistam, alem do cabeamento propriamente dito, dispositivos dehardware e software cuja funcao e controlar a comunicacao entre osdiversos componentes da rede.

Tais dispositivos funcionam em diferentes camadas da arquiteturaInternet (TCP/IP).

Agora iremos estudar os ativos de rede da camada fısica e de enlacede dados.

Rede (roteador e switch de camada 3)

Enlace (switch)

Física (hub e repetidor)


Repetidores

Os repetidores sao dispositivos de hardware utilizados para a conexaode dois ou mais segmentos de uma rede local. Eles recebem eamplificam o sinal proveniente de um segmento de rede, regenera-opara manter a integridade da informacao e repetem esse mesmo sinalno outro segmento.Repetidores sao geralmente utilizados para estender o comprimentofısico de uma LAN.A limitacao do numero de repetidores e obtida de acordo com oprotocolo utilizado (por exemplo, no protocolo Ethernet o numeromaximo e de quatro).


Hub

Hub e um repetor de multiplas portas. Geralmente, utilizado paraestabelecer a conexao fısica entre estacoes formando uma topologiaestrela;

Quando o hub recebe um frame numa das portas, ele regenera oframe e o replica as demais portas. Se dois quadros chegarem aomesmo tempo, eles colidirao, pois estao no mesmo domınio de colisao.


Hub

O hub ja esta obsoleto.


Switch

Os switches, tambem chamado de bridges, alem de regenerar o sinalrecebido na entrada, verificam o endereco fısico (MAC) da origem edo destino contido no frame;Baseado no endereco de destino e em tabelas, os switches tomamdecisoes de encaminhamento dos frames. A informacao eencaminhada para a porta ao qual esta conectado o equipamento como respectivo endereco de destino, evitando inundar as outras portascom frames que nao sao destinada a elas.


Switch

1

2

3

00:A3:56:12:09:FF 0A:12:52:9C:26:E2

A6:18:93:0D:F2:16

00:A3:56:12:09:FF 0A:12:52:9C:26:E2

00:A3:56:12:09:FF 0A:12:52:9C:26:E2

End. Porta

00:A3:56:12:09:FF 1

0A:12:52:9C:26:E2 2

A6:18:93:0D:F2:16 3


Switch

A tabela de encaminhamento deve ser aprendida e atualizadaautomaticamente a partir da movimentacao de frames atraves dela. Paratanto, o switch inspeciona tanto o endereco de destino quanto o endereco deorigem. O endereco de destino e utilizado na tomada de decisao deencaminhamento, enquanto o endereco de origem e utilizado para adicionarentradas, ou atualiza-las, na tabela de encaminhamento.

1 3

A B C

2

End. Porta

Tabela inicial

End. Porta A 1

Após uma transmissãode A para C

End. Porta A 1 C 3

Após umatransmissãode C para A

End. Porta A 1 C 3 B 2

Após umatransmissãode B para A


Questoes

1. Quais sao as principais funcoes da camada de enlace?

2. Quais sao os mecanismos de deteccao de erro maisutilizados? Como eles funcionam?

3. Explique o funcionamento do Selective-Repeat.

4. Por que sao necessarios os protocolos de controle de acessoao meio? Quais as principais tecnicas do controle de acessoaleatorio?

5. Qual a diferenca entre o CSMA/CD e o CSMA/CA?


Questoes

6. Como e o formato do enderecamento da camada de enlace?

7. Explique as funcoes dos campos do quadro Ethernet? Quaissao as alternativas para a camada fısica do Ethernet padrao,Fast Ethernet e Gigabit Ethernet?

8. Qual a funcao da autonegociacao do Ethernet?

9. Como e o funcionamento de um repetidor, Hub e Switch?Quais as principais diferencas entre estes equipamentos?


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