unesp - IBILCE - SJRP Curso de Redes de Computadores Adriano Mauro Cansian Capítulo 5 Camada de Enlace de Dados

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1 Curso de Redes de Computadores Adriano Mauro Cansian Capítulo 5 Camada de Enlace de Dados 1

2 A Camada de Enlace Objetivos: q Entender os serviços da camada de enlace: Compartilhando um canal broadcast: acesso múltiplo; Disputa para acesso ao meio. Endereçamento da camada de enlace; q Implementação de tecnologias da camada de enlace. Visão Geral: q Funcionamento da camada de enlace. q Protocolos de acesso múltiplo e LANs q Endereçamento da camada de enlace e ARP. q Tecnologias específicas da camada de enlace: Ethernet Switches

3 Contexto da Camada de Enlace q Dois elementos fisicamente conectados : host-roteador / roteador-roteador / host-host q Unidade de dados = quadro (frame) Hl Ht HnHt HnHt M M M M aplicação transporte rede enlace física protocolo de enlace enlace físico rede enlace física Hl HnHt frame M Interface de rede

4 Serviços da Camada de Enlace (1) 1. Enquadramento e acesso ao enlace 2. Entrega confiável 3. Controle de Fluxo 4. Detecção e Correção de Erros

5 Serviços da Camada de Enlace (2) q 1. Enquadramento e acesso ao enlace: Encapsula datagrama num frame. Inclui cabeçalho e cauda ( header e trailer ). Implementa acesso ao canal se este for compartilhado. Endereços físicos ou endereços MAC à nos cabeçalhos para identificar origem e destino. q 2. Entrega confiável: Pouco usada nos meios de redes locais atuais em fibra óptica, cabo coaxial e alguns tipos de pares trançados devido a taxas de erro de bit muito baixas. Usada em enlaces de rádio, onde a meta é reduzir erros assim evitando a retransmissão fim a fim.

6 Serviços da Camada de Enlace (3) q 3. Controle de Fluxo: Compatibilizar taxas de produção e consumo de quadros entre remetentes e receptores. q 4. Detecção e Correção de Erros: Erros são causados por atenuação do sinal e por ruído. Receptor detecta presença de erros. Receptor sinaliza ao remetente para retransmissão, ou simplesmente descarta o quadro em erro. Há mecanismos que permitem que o receptor localize e corrija o erro sem precisar da retransmissão. Em alguns casos. Principalmente em Wireless

7 Implementação do Protocolo de Enlace (1) Protocolo da camada de enlace é implementado totalmente na interface (na placa de rede). Software in hardware.

8 unesp - IBILCE - SJRP Implementação do Protocolo de Enlace (2) q Operações de envio no adaptador: Encapsula. Insere header com endereços, número de sequência, informações de realimentação e outros controles. MUITO IMPORTANTE! Inclui bits de detecção de erros. Implementa controle de acesso ao canal. Realiza a geração e transmissão do sinal.

9 Implementação do Protocolo de Enlace (3) q Operações recebe do adaptador: Verificação e correção de erros. Interrupção do host. Para enviar o frame para a camada superior. Atualiza informações de estado.

10 Detecção e correção de erros

11 Detecção de Erros - métodos q Bits de paridade. Técnica Unidimensional. Detecta erros em um único bit. Técnica Bidimensional. Detecta e corrige em um único bit. q Métodos de Checksum. Códigos de Redundância Cíclica CRC - Cyclic Redundancy Codes. Rever as discussões da camada de transporte e camada de rede

12 Detecção de Erros q D = Dados protegidos por verificação de erros. q EDC = bits de Detecção e Correção de Erros (redundância) q Um campo maior de EDC permite melhorar detecção e correção.

13 Detecção de Erros q O desafio do receptor é determinar se D é ou não igual ao D original, uma vez que recebeu apenas D e EDC. Paridade de 1 Bit: Deteta erros em um único bit

14 Verificação de paridade Uma das maneiras mais simples de detectar erros éutilizar um único bit de paridade. A figura abaixo mostra uma generalização bidimensional do esquema de paridade de bit único.

15 Cálculo do da soma de verificação q Um método simples de soma de verificação é somar os inteiros de k bits e usar o total resultante como bits de detecção de erros. q O complemento de 1 dessa soma é a soma de verificação que é carregada no cabeçalho do segmento. Já visto anteriormente no TCP, UDP e IP. q Lembrando: no IP, a soma de verificação é calculada sobre o cabeçalho IP. q Métodos de soma de verificação exigem relativamente pouca sobrecarga no pacote.

16 Métodos de Checksum q Checksum da Internet : Emissor considera dados como compostos de inteiros de 16 bits; Soma todos os campos de 16 bits (usando aritmética de complemento de um) e acrescenta a soma ao pacote; O receptor repete a mesma operação e compara o resultado com o checksum enviado com o quadro.

17 Métodos de Checksum q Códigos de Redundância Cíclica (Cyclic Redundancy Codes): Dados considerados como a sequência de coeficientes de um polinômio D. É escolhido um polinômio Gerador G (=> r+1 bits) Divide-se (módulo 2) o polinômio D*2 r por G. Acrescenta-se o resto R a D. Observa-se que, por construção, a nova sequência <D,R> agora é exatamente divisível por G.

18 Implementação de CRC q EMISSOR realiza em tempo real, por hardware, a divisão da sequência D pelo polinômio G, e acrescenta o resto R a D. q O RECEPTOR divide <D,R> por G: Se o resto for diferente de zero, a transmissão teve erro. q Padrões internacionais de polinômios G de graus 8, 12, 15 e 32 já foram definidos.

19 XOR unesp - IBILCE - SJRP

20 Exemplo de CRC unesp - IBILCE - SJRP

21 Métodos de CRC em Ethernet (1)

22 Métodos de CRC em Ethernet (2)

23 CRC Exemplos para estudo e exercícios q Como exemplo, assista aos vídeos: Cálculo de CRC parte 1 e 2 Prof. Othon Batista q Cálculo detalhado: (Verif. 09/10/2016) Exercícios: como funcionam os códigos de verificação de erros (Kurose & Ross 5ª. Ed. Tópico 5.2).

24 Enlaces e Protocolos de Múltiplo Acesso

25 Enlaces e Protocolos de Múltiplo Acesso q Três tipos de enlace: Ponto-a-ponto. Cabo único: ADSL, USB, etc... Difusão ou Broadcast. Cabo ou meio compartilhado: Ethernet, rádio, etc... Comutado. Switchs, ATM, etc.. Começaremos a estudar enlaces com difusão (broadcast) Assim, veremos os protocolo de Múltiplo Acesso

26 Protocolos de Múltiplo Acesso (1) Canal de comunicação é único e compartilhado. q Se duas ou mais transmissões acontecem ao mesmo tempo: Resulta em interferência do sinal transmitido. Colisão. Apenas um nó pode transmitir com sucesso num dado instante.

27 Protocolos de Múltiplo Acesso (2) q 2 características fundamentais: Possuem um algoritmo distribuído. Como as estações compartilham o canal. Quando cada estação pode transmitir. A comunicação sobre o compartilhamento do canal deve seguir pelo próprio canal. Humanos usam protocolos de acesso múltiplo o tempo todo!

28 Protocolos de Controle de Acesso ao Meio (MAC Media Access Control) q Protocolo MAC: Deve coordenar transmissões de hosts diferentes para minimizar ou evitar colisões. q São dividido em 3 classes: Particionamento do Canal. Acesso Randômico. Revezamento.

29 Protocolos MAC: taxonomia Três grandes classes: q Particionamento de canal à divisão igualitária do canal. Dividem o canal em pedaços menores Aloca um pedaço de uso exclusivo para cada nó (host). q Acesso Aleatório à cada nó transmite quando tiver dados. Pode causar colisões. Deve permitir recuperação das colisões. q Revezamento à cada nó transmite na sua vez. Compartilhamento estritamente coordenado. Passagem de permissão evita colisões. Objetivo a ser alcançado: eficiente, justo, simples e descentralizado.

30 Protocolos de Acesso Randômico

31 Protocolos de Acesso Randômico (1) q Ideia básica à a estação transmite aleatoriamente. Se houver dados a transmitir, simplesmente transmite. Sem coordenação entre estações. Ocupam toda a banda R do canal. Se houver colisão entre as transmissões de duas ou mais estações, elas retransmitem depois de espera randômica.

32 Protocolos de Acesso Randômico (2) O protocolo MAC de acesso randômico especifica como detectar colisões, e como se recuperar delas. q Protocolos MAC de acesso randômico: SLOTTED ALOHA ALOHA CSMA e CSMA/CD

33 Slotted Aloha q O tempo é dividido em slots de tamanho igual. Exemplo: o slot é igual ao tempo para enviar o tamanho de um pacote cheio. q Estação que tem dados a enviar transmite no início do próximo slot. q Se houver uma colisão, a origem retransmite o pacote a cada slot com probabilidade P, até conseguir sucesso. q S-ALOHA é eficiente na utilização do canal. E é completamente descentralizado. Na figura: Slots com Sucesso: (S) / com Colisão: (C) / Vazios: (E).

34 Eficiência do Slotted Aloha q Se N estações tem pacotes para enviar. q Cada uma transmite num slot com probabilidade p, então: q A probabilidade S de uma transmissão com sucesso, para uma estação específica: S host_x = p (1-p) (N-1)

35 Eficiência do Slotted Aloha q Para que qualquer uma das N estações consiga transmitir com sucesso num slot: S host_qualquer = N p (1-p) (N-1) Para N muito grande temos S = 1/e (aproximadamente 0,37) (otimizando, obtemos que o valor ótimo de P é P = 1/N) (veja material auxiliar no piazza) Ponto de máximo: uso do canal para envio de dados úteis: 37% do tempo!

36 ALOHA puro: sem slots (1) Um versão mais simples: ALOHA puro Não exige slots. Uma estação transmite sem aguardar o início de um slot. A probabilidade de colisão aumenta. Fica duas vezes o tamanho de Sloted-Aloha. Pacote pode colidir com outros pacotes transmitidos dentro de uma janela q Repetindo os cálculos e considerações, obtemos que a vazão é reduzida pela metade: S = 1/(2e) 0,18. (veja material auxiliar no piazza) Ponto de máximo, para envio de dados úteis: 18% do tempo!

37 ALOHA puro: sem slots (1) tempo

38 Rendimento / tráfego S-ALOHA x ALOHA puro: unesp - IBILCE - SJRP

39 CSMA & CSMA CD Carrier Sense Multiple Access ( escutar o meio antes de transmitir)

40 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) q CSMA: escuta antes de transmitir. q Se detecta que o canal está sendo usado: q Adia transmissão, e adota uma das posturas: CSMA persistente: permanece monitorando o canal e tenta novamente assim que o canal se tornar ocioso. CSMA não-persistente: tenta novamente, depois de intervalo randômico. Ainda podem ocorrer colisões?

41 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Colisões ainda podem ocorrer: Duas (ou mais) estações podem detectar ao mesmo tempo que o canal está ocioso. q Janela de vulnerabilidade à devido ao retardo ida e volta entre as estações envolvidas. No caso de colisão, é desperdiçado todo o tempo de transmissão do pacote.

42 Colisões unesp - IBILCE - SJRP

43 Colisões em CSMA Colisões podem ocorrer: o atraso de propagação implica que dois nós podem não ouvir as transmissões do outro. Colisão: todo o tempo de transmissão do pacote é desperdiçado. Lembre: O papel da distância e do atraso de propagação na determinação da possibilidade de colisão.

44 CSMA/CD (Detecção de Colisões) q CSMA/CD à escuta do meio e adiamento. Colisões são detectadas rapidamente. q Se há colisão: transmissão é abortada, reduzindo o desperdício do canal. q Detecção de colisões é fácil em rede locais usando cabo. Medir a intensidade do sinal na linha, ou comparar sinais Tx e Rx. q CSMA/CD pode conseguir utilização do canal perto de 100% em redes locais.

45 Deteção de colisões em CSMA/CD

46 Non-CD vs CD unesp - IBILCE - SJRP

47 Algoritmo CSMA/CD (1) unesp - IBILCE - SJRP A: escuta canal; SE ocioso ENTÃO { transmite e monitora o canal; se detectou outra transmissão então { aborta e envia sinal de jam ; atualiza número de colisões; Adia de acordo com o algoritmo de retardo exponencial (ou backoff exponencial); vai para A } Visto adiante senão {terminado este quadro; zera contador colisões} } senão {espera o final da transmissão atual e vai para A}

48 Algoritmo CSMA/CD (2) q Sinal Jam : para garantir que todos os outros transmissores tomem conhecimento da colisão. Sinal possui 48 bits; q Backoff Exponencial: Meta é adaptar a taxa oferecida por transmissores à estimativa da carga atual Isto é, retardar quando carga da rede estiver elevada.

49 Backoff exponencial q Após sofrer a n-ésima colisão em seguida para um quadro: q Escolhe um valor de K aleatoriamente de {0, 1, 2,, 2 m 1} onde m = min (n,10) Depois da primeira colisão, escolhe K entre {0,1}. O retardo é (K x 512 BTT) [1 BTT = tempo para transmitir 1 bit ] Depois da segunda colisão escolhe K de {0,1,2,3} Depois de dez ou mais colisões, escolhe K de {0,1,2,3,4,,1023} q Não mantém estado. q Cada pacote que colide é tratado de forma independente.

50 CSMA/CD simplificado unesp - IBILCE - SJRP

51 Eficiência do CSMA/CD q Nota-se que neste esquema um novo quadro tem uma chance de sucesso na primeira tentativa, mesmo com tráfego pesado. q Eficiência Ethernet com tráfego pesado e número grande de nós: 1 Efficiency = t 1+ (5* t Eficiência tende a 1 quando t prop tende a 0. Tende a 1 quando t trans tende ao infinito. Muito melhor do que o ALOHA, e ainda é descentralizado, simples e barato. prop trans ) Exercício: determinar o rendimento % do CSMA/CD em uma situação de alta carga de tráfego na rede. Ver Livro Tannenbaum Redes de Computadores.

52 Eficiência dos protocolos de acesso rândomico unesp - IBILCE - SJRP

53 Pergunta / exercício: Quanto tempo é necessário para se perceber uma colisão? (Isto é, qual o tempo do slot de contenção? ) A B A Packet starts at time 0 B A Packet almost at B at τ - B (a) (b) A B A Noise burst gets back to A at 2τ B (c) Collision at time τ Determinação do slot de contenção (d) Tempo do percurso A B = T Pior caso: (a): Estação A começa a transmitir no instante t = 0. (b) e (c): Num pequeno instante antes de o sinal chegar à estação mais distante, no tempo t = ( T ε ) temos que B começa a transmitir e percebe a colisão, quase instantaneamente. Então, interrompe a transmissão. (d) Mas o pequeno efeito da colisão não chega até a estação original A num tempo melhor que 2T ε (tempo de ida e volta de A até B). Em outras palavras: na pior das hipóteses, a estação A só poderá ter certeza de haver se apoderado do canal após transmitir durante 2T sem escutar uma colisão. Portanto 2T é o tempo necessário para que a estação A esteja segura que assumiu o controle. Num cabo de 1 Km, T = 5 microsegundos.

54 Slot de contenção Fonte: (7/8/2017)

55 Protocolos MAC de revezamento

56 Protocolos MAC de revezamento q Até aqui já vimos: Particionamento ESTÁTICO de canal (TDM, FDM). Protocolos MAC de acesso randômico: permitem que um único usuário utilize toda a capacidade do canal; Entretanto, eles não conseguem compartilhar o canal de maneira igualitária. q Mas existem também os protocolos de revezamento.

57 Protocolos MAC de revezamento q Protocolos MAC de revezamento conseguem tanto justeza como acesso individual a toda a capacidade do enlace. Custo: maior complexidade de controle. q Dois grandes métodos: Polling: uma estação Mestre numa rede local convida em ordem as estações escravas a transmitir seus pacotes. Token (ficha) de permissão (ou bastão ) é passada seqüencialmente de estação a estação. É possível aliviar a latência e melhorar tolerância a falhas Token Bus e Token Ring. Exercício: Protocolo DOCSIS 3 em 1 (Livro Texto K&R 6ª edição - Tópico 5.3.4)

58 Ethernet e suas evoluções

59 Ethernet q Muito difundida: Baixo custo: < R$ 20 para 100 Mbps. Uma das mais antigas tecnologias de rede local. Mais simples e menos cara do que redes de revezamento. Acompanhou aumento de velocidade: 10M, 100M, 1G bps. Suporta muitos meios (cobre, fibra, etc...), mas todas compartilham características comuns. Bob Metcalfe & David Boggs (1973)

60 Histórico q 1973: Bob Metcalfe at Xerox PARC documenta a criação da ethernet, num memorando. Bob Metcalfe, David Boggs, and Tat Lam criam o primeiro protótipo a 2.94 Mbps. q 1974: Vint Cerf e Bob Kahn publican uma especificação do protocolo num artigo "Protocol for Packet Network Interconnection in IEEE Transactions on Communications. q 1978: Xerox desenvolve X-Wire (DIX) ethernet 10 Mbps rodando sobre coaxial cable. q 1979: Bob Metcalf funda a 3Com q q

61 14/8/2017 unesp - IBILCE - SJRP

62 Ethernet IEEE standards (*) (*) Observação: datas onde as velocidades foram padronizadas para o padrão IEEE 802.3; não significa data de criação.

63 Padrões Ethernet 802.3: camadas de enlace e física unesp - IBILCE - SJRP q 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, compatibilidade com wi-fi. aplicação transporte rede enlace física 100BASE-TX 100BASE-T4 protocolo MAC e formato de quadro 100BASE-T2 100BASE-SX 100BASE-FX 100BASE-BX camada física cobre (par trançado) camada física fibra

64 Ethernet: evolução (prevista) unesp - IBILCE - SJRP

65 Topologia de estrela q Topologia de barramento foi popular até meados dos anos 90: todos os nós no mesmo domínio de colisão podem colidir uns com os outros. q Atualmente: topologia de estrela prevalece: Comutador (switch) ativo no centro. Cada ponta roda um protocolo Ethernet (separado): Nós não colidem uns com os outros (transmitem mutuamente). comutador Barramento / cabo coaxial estrela

66 Ethernet: não confiável e sem conexão q Sem conexão: sem handshake. q Não confiável: não há ACK ou NACK. Fluxo de datagramas entregues à camada de rede pode ter lacunas (podem faltar datagramas) Lacunas sanadas pelo transporte se aplicação usar TCP. Se transporte usa UDP, aplicação terá de resolver o problema. Protocolo MAC da Ethernet: CSMA/CD (lembrando que erthernet tem outras características além do CSMA/CD)

67 Estrutura de frame Ethernet (1) unesp - IBILCE - SJRP q Contém: Preâmbulo, Cabeçalho, Dados e CRC. q Preâmbulo de 8 bytes: 7 bytes com o padrão , e seguidos por um byte com o padrão Para sincronizar clock do receptor com emissor

68 Estrutura de frame Ethernet (2) q Cabeçalho: endereços de Destino e Origem, e Tipo q Endereços: 6 bytes (48 bits) O frame é recebido por todas as interfaces numa LAN, e descartado se o endereço de destino não corresponder com o endereço de quem recebe à rede de difusão (broadcast): q Tipo: indica o protocolo da camada superior, Usualmente IP (0x800) 16, mas suporta vários outros ARP, NETBIOS, AppleTalk, e outros. q CRC: verificado pelo receptor. Se for detectado um erro, o quadro será descartado.

69 Ethernet frame types unesp - IBILCE - SJRP

70 Ethernet frame completo Frame ethernet Padding (preenchimento) Padrão: 96 bit times 9.6 µs para 10 Mbit/s Ethernet, 960 ns para 100 Mbit/s Fas tethernet, 96 ns para 1 Gbit/s (1 gigabit) Ethernet, e 9.6 ns for 10 Gbit/s (10 gigabit) Ethernet. Para aprofundamento veja:

71 Padding (preenchimento) q O tamanho do frame que vai do destination address até o checksum deve ser maior ou igual a 64 bytes. Se o campo de dados (payload) for menor do que 46 bytes, o quadro será preenchido com 0 s até o tamanho mínimo. q Motivo: evitar que um dispositivo termine a transmissão de um frame curto antes do primeiro bit ter chegado no ponto mais distante do cabo. Influencia diretamente no tamanho máximo de cabo que o protocolo pode usar. Define o pior caso para permitir detectar uma colisão.

72 A Packet starts at time 0 B A Packet almost at B at τ - B (a) (b) A B A Noise burst gets back to A at 2τ B (c) Collision at time τ Determinação do slot de contenção (d) A estação A só poderá ter certeza de haver se apoderado do canal após transmitir durante 2T sem escutar uma colisão. Portanto 2T é o tempo necessário para que a estação A esteja segura que assumiu o controle. Num cabo de 1 Km, T = 5 microsegundos. Tamanho mínimo do frame garante a detecção da colisão. Assim a estação A (ou B) não pode interromper a transmissão antes do frame ter ido e voltado até a distância mais longa do cabo, caso contrário não há como detectar que o frame foi alterado.

73 (14/8/2017)

74 Algoritmo backoff exponencial com Interframe gap (14/08/2017)

75 LANs, endereçamento e ARP

76 LAN Local Area Network q Ethernet cabeada IEEE 802.3: Ainda a tecnologia mais popular e barata de rede local, apesar que o wifi é um grande concorrente. Usa o protocolo CSMA/CD. Ethernet 10 Mbps, Fast Ethernet (100 Mbps), Giga Ethernet (1000 Mbps) e 10G ethernet 100G, 25GE, 50GE evoluindo rápido Meio mais usado: Par trançado (TP Twisted pair).

77 Endereços físicos e ARP q Rede local tem, um Endereço físico Ou endereço MAC. MAC Address = Media Access Control Address q Endereço MAC tem 48 bits: Formato hexadecimal: 00:26:08:01:82:9ª (6 octetos). Gravado na ROM da placa de rede. (Mas pode ser alterado por software).

78 unesp - IBILCE - SJRP Endereços físicos / MAC Address

79 Endereço MAC (endereço físico) unesp - IBILCE - SJRP q Endereços MAC administrados pelo IEEE ( Fabricante licencia ( compra ) um intervalo de endereços. Para garantir unicidade. q Endereço MAC não tem estrutura hierárquica Para garantir portabilidade. Não depende da rede. Não é roteável Lembre que o endereço IP é hierárquico IP NÃO é portátil. IP Depende da rede / localização. q Endereço MAC de difusão (broadcast): All 48 bits one: FF:FF:FF:FF:FF:FF

80 Endereço MAC placa 00:26:08:01:84:9A Protocolos de Switch: OUI reservado à 0X:80:C2 X=0 : unicast X=1 : grupo

81 Exercício: aprofundamento sobre endereços Padrão IEEE 802 define 2 tipos de endereços MAC: Administrados Localmente (Locais) e Universais. Os endereços locais são definidos livremente pelo administrador da rede, mas eles devem seguir a convenção de que o valor do segundo bit mais significativo do endereço (indicado como b7 na figura) deve ser igual a 1. Os endereços universais são globalmente únicos, pois identificadores OUI (Identificadores Únicos de Organizações) são alocados pelo IEEE para os fabricantes de dispositivos de rede. Por exemplo, a Xerox recebeu os OUIs de até Os endereços MAC podem ser ainda individuais ou em grupo (controlado pelo bit 8 na figura). Os endereços de grupo permitem enviar um único quadro para múltiplos destinos simultaneamente, e podem ser do tipo broadcast ou multicast. Nem todos os endereços universais podem ser usados para identificar adaptadores de rede. Um OUI foi alocado para uso exclusivo de protocolos padronizados para switches, como o Spanning Tree, e não pode ser usada por nenhum fabricante. O OUI reservado para protocolos de switch é 0X-80-C2. Esse OUI inclui endereços do tipo unicast (quando X=0) e grupo (quando X=1). Em alguns casos, o quadro recebido por um switch no formato multicast deve ser interpretado apenas localmente, e não deve ser repassado para os demais switches da rede. Em outros casos, o quadro precisa ser repassado. Esse controle é feito pela divisão do bloco de endereços de protocolos padronizados em 2 subgrupos denominados: filtrado (não propaga multicast) e padrão (propaga multicast). Faixa do modo filtrado: de C até C F Faixa do modo padrão: de C até C2-FF-FF-FF

82 ARP: Address Resolution Protocol Mapeia (traduz) endereços IP para MAC. Pergunta IP addr à Responde MAC addr q Cada host na rede local possui uma tabela ARP. Tabela ARP - Exemplo: [ endereço IP; endereço MAC; TTL ] [ ; 00:26:08:01:84:9A; 15m ] [ ; FF:FF:FF:FF:FF:FF, none ] q TTL: temporizador Quanto tempo deve ser mantida em cache. Tipicamente alguns minutos (padrão: 20 min).

83 Tabela ARP unesp - IBILCE - SJRP

84 ARP: Address Resolution Protocol (2) 1. Host A quer enviar pacote para endereço IP de destino X na mesma rede local. 2. Host de origem primeiro verifica se sua tabela ARP contém o endereço IP X (verifica se há cache). 3. Se X não há cache, o host envia um query ARP em broadcast MAC destino = FF:FF:FF:FF:FF:FF [ IP X, MAC (?) ] à enviado em broadcast 4. Todos os hosts na rede local aceitam o pacote ARP. 1. Destino é broadcast à todos aceitam 2. Cada um verifica se é ele que tem aquele IP. Quem tiver, responde. 5. O host de IP X responde direto ao host A com pacote ARP informando seu próprio endereço MAC : [ IP X, MAC (X) ] à enviado para A. 6. Endereço MAC de X é armazenado em cache na tabela ARP de A.

85 ARP request & response unesp - IBILCE - SJRP

86 ARP Request Fonte:

87 ARP Reply Fonte:

88 Gratuitous ARP "Hey everyone! I own IP address and MAC address 00:19:5b:2f:14:6b. Who owns IP address ?". Serve por quê?

89 ARP packet format Frame type: ARP = 0x0806

90 Extra-classe: revisão unesp - IBILCE - SJRP Encapsulamento, roteamento e encaminhamento Este tema já foi tratado na camada de rede. Como atividade extra-classe o aluno deve fazer uma revisão a respeito do encapsulamento e encaminhamento de datagramas na rede local até o gateway de saída, incluindo ARP.

91 Extra-classe: revisão unesp - IBILCE - SJRP Encapsulamento

92 Extra-classe: revisão Roteando um pacote para outra rede. unesp - IBILCE - SJRP q Exemplo: rotear pacote do endereço IP de origem < > ao endereço de destino < >. q Na tabela de rotas na origem, encontra roteador q Na tabela ARP na origem, tira endereço MAC E6-E BB-4B, e etc...

93 Extra-classe: revisão unesp - IBILCE - SJRP Endereçamento: roteando para outra LAN acompanhamento: enviar datagrama de A para B via R. suponha que A saiba o endereço IP de B C-E8-FF B2-2F-54-1A-0F A CC-49-DE-D0-AB-7D E6-E BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B R BD-D2-C7-56-2A B q Duas tabelas ARP no roteador R, uma para cada rede IP (LAN)

94 Extra-classe: revisão unesp - IBILCE - SJRP Como acontece o roteamento e o encaminhamento? C-E8-FF B2-2F-54-1A-0F A CC-49-DE-D0-AB-7D E6-E BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B R BD-D2-C7-56-2A B

95 Extra-classe: revisão q A cria datagrama IP com origem A, destino B unesp - IBILCE - SJRP Como acontece o roteamento e o encaminhamento? q A usa ARP para obter endereço MAC de R para q A cria quadro da camada de enlace com endereço MAC de R como destino, quadro contém datagrama IP A-para-B q NIC de A envia quadro q NIC de R recebe quadro q R remove datagrama IP do quadro Ethernet, vê o seu destinado a B q R usa ARP para obter endereço MAC de B q R cria quadro contendo datagrama IP A-para-B e envia para B C-E8-FF B2-2F-54-1A-0F A CC-49-DE-D0-AB-7D E6-E BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B R BD-D2-C7-56-2A B

96 Estruturas de redes locais: hubs e switches

97 Hubs Repetidores da camada física (repetidores burros ) : Dispositivos conectados ao hub podem colidir uns com os outros. Sem buffering (cache) de quadros. Sem CSMA/CD no hub: host devem detectar colisões. Bits que chegam num enlace são replicados em todos os outros enlaces, na mesma velocidade. Do ponto de vista lógico, um hub é igual a um cabo coaxial. par trançado = hub

98 Comutador (switch) Ethernet (1) q Switch é um dispositivo para conexões dedicadas ponto-a-ponto. q Um host ligado a um switch sempre detecta que o meio está ocioso. Não haverá colisões entre duas portas. Cada porta forma um domínio de colisão.

99 q Switch possui muitas interfaces (portas). q Hosts possuem conexão direta ao switch. q Sem colisões e, além disso, é full duplex. q Cada porta forma um domínio de colisão. unesp - IBILCE - SJRP Comutador (switch) Ethernet (2) Switching: A transmite para A e B transmite para B, simultaneamente, sem colisões.

100 Comutador (switch) Ethernet (3) q Dispositivo de camada de enlace. q Armazena e encaminha quadros Ethernet (store-and-forward). q Examina o cabeçalho do quadro e, seletivamente, encaminha o quadro baseado no endereço MAC de destino. q Usa CSMA/CD para acessar a porta segmento. q Transparente: Hosts são percebem a presença dos switches. Mantém a compatibilidade reversa com ethernet e CSMA/CD q Plug-and-play & self-learning (auto-aprendizado). Switches não precisam ser configurados.

101 Comutador (switch) Ethernet (4) q Switches suportam comutação cut-through : O quadro é encaminhado imediatamente ao destino, sem esperar a recepção do quadro inteiro no buffer do switch. Há uma pequena redução na latência. q Switches Ethernet variam em capacidade. Mais rápidos incorporam uma rede de interconexão. backplane ou switch fabric, de alta capacidade.

102 Self learning (auto-aprendizado) q O switch possui uma tabela de comutação. q Switch aprende quais hosts estão em quais portas. Ao receber um frame, o switch memoriza em qual porta está o MAC do emissor à associa o MAC Address à porta. Registra o par [emissor / porta] na tabela. Uma porta pode ter mais de um MAC Address associado a ela (quando isso acontece e por quê?). q Entradas na tabela do switch possuem o formato: [endereço MAC host, interface, marca de tempo] q Entradas expiradas na tabela são descartadas.

103 Decisão, encaminhamento e filtragem Quando um switch recebe um quadro: 1. indexa a tabela do switch usando endereço MAC de destino 2. if entrada for encontrada para o destino then{ 3. if destino está na porta deste quadro que chegou then descarta o quadro // destino mesma porta origem // } else flood; else encaminha o quadro para porta indicada. Flood: Caso não encontre a entrada do destino na tabela, encaminha para todas as portas, exceto para aquela de o quadro chegou.

104 Exemplo de filtragem e encaminhamento Suponha que C envia um quadro para D A B C switch hub hub hub D F G E H endereço I A B E G Porta Switch recebe o quadro de C, com destino a D. Registra na tabela que C está na porta 1 Como D não está na tabela, o switch encaminha o quadro para as portas 2 e 3 (não envia para 1 porque C está na 1). Quadro é recebido por D.

105 Switches versus roteadores q Ambos fazem armazenamento e repasse (store and forward). Roteadores: dispositivos da camada de rede Examinam cabeçalhos da camada de rede. Comutadores são dispositivos da camada de enlace. q Roteadores mantêm tabelas de roteamento, implementam algoritmos de roteamento. q Switches mantêm tabelas de comutação, implementam filtragem, algoritmos de aprendizagem.

106 VLANs

107 VLANs: motivação O que acontece se: q Usuário da CC muda para EE, mas quer se conectar ao comutador CC? q Único domínio de broadcast: Ciência da Computação Engenharia Elétrica Engenharia da Computação Todo tráfego de broadcast da camada 2 (ARP, DHCP) cruza a LAN inteira Questões de eficiência, segurança e privacidade.

108 VLANs VLAN baseada em porta: portas de switch agrupadas (por software) para que único switch físico Virtual Local Area Network: Switches com capacidade de VLAN podem ser configurados para definir múltiplas LANs virtuais por única infraestrutura de LAN física. Pólo (VLAN portas 1-8) Ciência da Computação (VLAN portas 9-15) opere como múltiplos switches virtuais Pólo (VLAN portas 1-8) Ciência da Computação (VLAN portas 9-16)

109 LANS Virtuais q SEGMENTO = Domínio de Colisão. Os computadores de um Hub estão no mesmo segmento físico. q VLAN = Domínio de Broadcast. O tráfego de broadcast só pode passar de uma VLAN para outra apenas através de um roteador. FF.FF.FF.FF.FF.FF FF.FF.FF.FF.FF.FF B FF.FF.FF.FF.FF.FF A C A, B e C: VLAN 1 SWITCH D E D e E: VLAN 2

110 VLAN baseada em porta q Isolamento de tráfego: quadros de / para portas 1-8 só podem alcançar portas 1-8 roteador também podem definir VLAN com base em endereços MAC das extremidades, em vez de porta do comutador Inclusão dinâmica: portas podem ser atribuídas dinamicamente entre VLANs. Pólo (VLAN portas 1-8) Ciência da Computação (VLAN portas 9-15) Repasse entre VLANS: é feito por roteamento (assim como em switches separados). Na prática, fornecedores vendem uma combinação de comutador e roteador: router-switch.

111 VLANS em múltiplos switches Pólo (PL VLAN portas 1-8) Ciência da Computação (CS VLAN portas 9-15) Portas 2,3,5 pertencem a PL VLAN Portas 4,6,7,8 pertencem a CS VLAN q porta de tronco: carrega quadros entre VLANS sobre switches físicos. Quadros repassados dentro da VLAN entre switches não são quadros comuns: Devem ter informação de VLAN ID. Protocolo 802.1Q tem campos de cabeçalho adicionais para quadros enviados entre portas tronco.

112 Modos das Portas de Switch q Portas de um switch podem operar em 2 modos: Modo Access. Cada porta do switch pertence a uma única VLAN. Quadros Ethernet: formato normal padrão IEEE Modo Trunk. Tráfego de múltiplas VLANs é multiplexado em único link físico. Interconectam switches. Quadros Ethernet: formato especial de VLAN 802.1Q (em seguida). Caso necessário, apenas computadores com placas de rede especiais podem se conectar a essas portas trunk. Entretanto, não é usual computadores se conectarem em portas trunk.

113 Interligação de Switches B C VLAN 2 VLAN 2 VLAN 1 VLAN 1,2,3 A ACCESS SWITCH TRUNK SWITCH D VLAN 3 VLAN 1,2,3 VLAN 1,2,3 Interface Trunk: Tráfego de Várias VLANs (IEEE 802.1Q) SWITCH Interface de Acesso: Tráfego de uma única VLAN (IEEE 802.3) E VLAN 2

114 Protocolos Trunk q Os quadros nas interfaces Trunk são formatados em quadros especiais para identificar a quais LANs eles pertencem. q O IEEE 802.1Q é um protocolo para interface Trunk. Veja o esquema a seguir:

115 Formato IEEE 802.1Q 6 Bytes 6 Bytes de 46 a 1500 Bytes 2 Bytes 2 Bytes DESTINO ORIGEM TYPE Dados CRC Ethernet II 0x8000 (IP) TAG (marcação) de VLAN 4 bytes - IEEE 802.1Q Esses campos são removidos quando o quadro é enviado para a interface do tipo access. de 42 a 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 3 Bits 1 Bit 12 Bits 2 Bytes 4096 Bytes 2 Bytes DESTINO ORIGEM TYPE PRIO CFI VLAN ID TYPE Dados CRC 0x8100 (IEEE 802.1Q) 0x8000 (IP)

116 Norma IEEE 802.1p - priorização q A norma IEEE 802.1p é um método de atribuição de prioridade para os pacotes que atravessam uma rede. q A norma 802.1p permite priorização para todos os tipos de MAC existentes. q Mas o Ethernet não tem um campo de priorização nativo. q Então o 802.1p define um método para indicar a priorização do quadro através dos campos inseridos pelo 802.1Q. q Os campos do 802.1Q (TAG), contém informações referentes à VLAN que o quadro se encontra e qual a priorização. ATENÇÃO: 801.p não tem compatibilidade reversa com ethernet Só pode ser usado em conjunto com 802.1Q. Material de apoio para mais informações: (14/8/2017)

117 Uso de Prioridade: Exemplo unesp - IBILCE - SJRP q De acordo o padrão 802.1p, diferentes tipos de tráfego podem ser tratados com 8 níveis de prioridade: 000 = 0 : Best Effort 001 = 1 : Background 010 = 2 : Não Utilizado 011 = 3 : Excellent Effort 100 = 4 : Carga Controlada 101 = 5 : Vídeo 110 = 6 : Voz 111 = 7 : Controle de Rede

118 Remarcação de Prioridade q Switches permitem criar regras de (re)marcação em função dos campos dos cabeçalhos de transporte e rede.

119 Mapeamento DSCP - QOS q Para integração com a marcação diffserv, o switch permite mapear códigos de DSCP em níveis de prioridade. Diffserv são vistos em protocolos multimídia usando rede TCP/IP. Nós retornaremos a este assunto quando for discutido o tópico de Procolos Multimedia na Internet com diffserv e DSCP.

120 Duas atividades para homework q Estudar Jumbo Frames q Estudar Spanning Tree

121 Jumbo Frames (23/10/2016)

122 Jumbo Frames vs performance (23/10/2016)

123 Homework: spanning tree (STP) Como evitar loops numa interconexão redundante de switches? Ver e estudar Spanning Tree Protocol (STP)

124 Camada de enlace - Resumo q Princípios dos serviços da camada de enlace: Compartilhando um canal broadcast: acesso múltiplo. Endereçamento da camada de enlace. Protocolos de acesso ao meio q Implementação de várias tecnologias da camada de enlace. q Ethernet. q LANS comutadas / switches. q VLANs q QoS em LAN.

125 Referência: James F. Kurose & Keith W. Ross. Redes de Computadores e a Internet Capítulo 5 Camada de Enlace de Dados 5a. Edição (2010) Editora: Pearson Education ISBN: