Capítulo 5 Camada de enlace: enlaces, redes de acesso e redes locais

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1 Capítulo 5 Camada de enlace: enlaces, redes de acesso e redes locais slide Pearson. Todos os direitos reservados.

2 Os serviços fornecidos pela camada de enlace Entre os serviços que podem ser oferecidos por um protocolo da camada de enlace, estão: Enquadramento de dados. Acesso ao enlace (MAC medium access control). Entrega confiável. Detecção e correção de erros.

3 Onde a camada de enlace é implementada? A figura a seguir mostra a arquitetura típica de um hospedeiro. Na maior parte, a camada de enlace é implementada em um adaptador de rede, às vezes também conhecido como placa de interface de rede (NIC). No núcleo do adaptador de rede está o controlador da camada de enlace que executa vários serviços da camada de enlace. Dessa forma, muito da funcionalidade do controlador da camada de enlace é realizado em hardware. slide Pearson. Todos os direitos reservados.

4 Onde a camada de enlace é implementada? Adaptador de rede: seu relacionamento com o resto dos componentes do hospedeiro e a funcionalidade da pilha de protocolos 4/46

5 Verificações de paridade Talvez a maneira mais simples de detectar erros seja utilizar um único bit de paridade. A figura abaixo mostra uma generalização bidimensional do esquema de paridade de bit único. 5/46

6 Métodos de soma de verificação 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. O complemento de 1 dessa soma forma, então, a soma de verificação da Internet, que é carregada no cabeçalho do segmento. No IP, a soma de verificação é calculada sobre o cabeçalho IP. Métodos de soma de verificação exigem relativamente pouca sobrecarga no pacote. 6/46

7 Verificação de redundância cíclica (CRC) Uma técnica de detecção de erros muito usada nas redes de computadores de hoje é baseada em códigos de verificação de redundância cíclica (CRC). Códigos de CRC também são conhecidos como códigos polinomiais. 7/46

8 Enlaces e protocolos de acesso múltiplo Um enlace ponto a ponto consiste em um único remetente em uma extremidade do enlace e um único receptor na outra. Exemplo? O enlace de difusão, pode ter vários nós remetentes e receptores, todos conectados ao mesmo canal de transmissão único e compartilhado. Exemplo? Protocolos de acesso múltiplo através dos quais os nós regulam sua transmissão pelos canais de difusão compartilhados. 8/46

9 Enlaces e protocolos de acesso múltiplo Vários canais de acesso múltiplo 9/46

10 Enlaces e protocolos de acesso múltiplo Vários canais de acesso múltiplo 10/46

11 Enlaces e protocolos de acesso múltiplo características desejáveis: Quando apenas um nó tem dados a enviar, envia à taxa máxima Quando M nós tem dados a enviar, divide-se igualmente a taxa média O protocolo é descentralizado, isto é, não há um mestre que represente um único ponto de falha O protocolo é simples para que sua implementação seja barata 11/46

12 Protocolos MAC de particionamento de canal: TDMA TDMA: Time Division Multiple Access acesso ao canal em rodadas cada estação recebe intervalo de tamanho fixo (tamanho = tempo transm. pacote) a cada rodada intervalos não usados ficam ociosos exemplo: LAN de 6 estações, 1, 3, 4 têm pacote, intervalos 2, 5, 6 ociosos quadro de 6 intervalos /46

13 FDMA: Frequency Division Multiple Access espectro do canal dividido em bandas de frequência cada estação recebe banda de frequência fixa tempo de transmissão não usado nas bandas de frequência fica ocioso exemplo: LAN de 6 estações, 1, 3, 4 têm pacote, bandas de frequência 2, 5, 6 ociosas tempo bandas de freq. Protocolos MAC de particionamento de canal: FDMA cabo FDM 13/46

14 Protocolos de divisão de canal O protocolo FDM divide o canal de R bits/s em frequências diferentes e reserva cada frequência a um dos N nós, criando, desse modo, N canais menores de R/N bits/s a partir de um único canal maior de R bits/s. O protocolo de acesso múltiplo por divisão de código (CDMA) atribui um código diferente a cada nó. Se os códigos forem escolhidos com cuidado, as redes CDMA terão a maravilhosa propriedade de permitir que nós diferentes transmitam simultaneamente. 14/46

15 Protocolos de acesso aleatório Com um protocolo de acesso aleatório, um nó transmissor sempre transmite à taxa total do canal, isto é, R bits/s. O que é: compartimentado, percebe colisões. O slotted ALOHA descentralizado. é altamente (não completamente) Funciona bem quando há apenas um nó ativo. Com múltiplos nós ativos a eficiência máxima do protocolo é dada por 1/e = 0,37 (37 %). 15/46

16 Slotted ALOHA Prós Contras único nó ativo pode transmitir continuamente na velocidade plena do canal altamente descentralizado: somente intervalos nos nós precisam estar em sincronismo simples colisões, intervalos desperdiçados intervalos ociosos nós podem ser capazes de detectar colisão em menos tempo do que para transmitir pacote sincronismo de clock 16/46

17 CSMA (acesso múltiplo com detecção de portadora - Carrier Sense Multiple Access ) Especificamente, há duas regras importantes que regem a conversação educada entre seres humanos: Ouça antes de falar. Se uma pessoa estiver falando, espere até que ela tenha terminado. No mundo das redes, isso é denominado detecção de portadora um nó ouve o canal antes de transmitir. Se alguém começar a falar ao mesmo tempo que você, pare de falar. No mundo das redes, isso é denominado detecção de colisão (portadora) um nó que está transmitindo ouve o canal enquanto transmite. 17/46

18 CSMA (acesso múltiplo com detecção de portadora) Essas duas regras estão incorporadas na família de protocolos de acesso múltiplo com detecção de portadora (CSMA Carrier Sense Multiple Access) e CSMA com detecção de colisão (CSMA/CD). Se todos os nós realizam detecção de portadora, por que ocorrem colisões? A resposta a essa pergunta pode ser ilustrada utilizando diagramas espaço/tempo. 18/46

19 Colisões CSMA colisões ainda podem ocorrer: layout espacial dos nós atraso de propagação significa que dois nós podem não ouvir a transmissão um do outro colisão: tempo de transmissão de pacote inteiro desperdiçado nota: papel da distância & atraso de propagação determinando probabilidade de colisão (comprimento máximo de cabo) 19/46

20 CSMA/CD (Collision Detection) CSMA/CD: detecção de portadora, adiada como no CSMA detecção de colisão: colisões detectadas dentro de pouco tempo transmissões colidindo abortadas, reduzindo desperdício do canal fácil em LANs com fio: mede intensidades de sinal, compara sinais transmitidos, recebidos difícil nas LANs sem fio: intensidade do sinal recebido abafada pela intensidade da transmissão local analogia humana: o interlocutor educado 20/46

21 Detecção de colisão CSMA/CD 21/46

22 Protocolos de revezamento O protocolo de polling elimina as colisões e os intervalos vazios que atormentam os protocolos de acesso aleatório, e isso permite que ele tenha uma eficiência muito maior, mas tem o nó mestre: único ponto de falha. No protocolo de passagem de permissão não há nó mestre. Um pequeno quadro de finalidade especial conhecido como uma permissão (token) é passado entre os nós obedecendo a uma determinada ordem fixa. 22/46

23 Redes locais comutadas Uma rede institucional conectada por quatro comutadores 23/46

24 Endereçamento MAC e ARP Endereço IP de 32 bits: endereço da camada de rede usado para obter datagrama até sub-rede IP de destino Endereço MAC (ou LAN ou físico ou Ethernet) : função: levar quadro de uma interface para outra interface conectada fisicamente (na mesma rede) Endereço MAC de 48 bits (para maioria das LANs) queimado na ROM da NIC, às vezes também configurável por software MAC Media Access Control Controle de acesso ao meio ARP Address Resolution Protocol Protocolo de resolução de endereços: MAC X IP (rede local) 24/46

25 Endereçamento na camada de enlace e ARP Endereços MAC Cada interface conectada à LAN tem um endereço MAC exclusivo 25/46

26 Endereços de LAN (mais) alocação de endereço MAC administrada pelo IEEE fabricante compra parte do espaço de endereços MAC (para garantir exclusividade) analogia: (a) Endereço MAC: como o CPF (b) Endereço IP: como o endereço postal endereço MAC plano portabilidade pode mover placa de LAN de uma LAN para outra endereço IP hierárquico NÃO portável endereço depende da sub-rede IP à qual o nó está conectado 26/46

27 Endereçamento na camada de enlace e ARP ARP (protocolo de resolução de endereços) Cada interface em uma LAN tem um endereço IP e um endereço MAC Cada nó IP (hosp., roteador) na LAN tem tabela ARP Tabela ARP: mapeamentos de endereço IP/MAC para alguns nós da LAN <endereço IP; endereço MAC> Linux: arp -an 27/46

28 Endereçamento na camada de enlace e ARP Envio de um datagrama para fora da sub-rede Duas sub-redes interconectadas por um roteador 28/46

29 Ethernet A Ethernet praticamente tomou conta do mercado de LANs com fio. Há muitas razões para o sucesso da Ethernet: 1. Ela foi a primeira LAN de alta velocidade amplamente disseminada. 2. Token ring, FDDI e ATM são tecnologias mais complexas e mais caras do que a Ethernet, o que desencorajou ainda mais os administradores na questão da mudança. 29/46

30 Ethernet 3. A Ethernet sempre produziu versões que funcionavam a velocidades iguais, ou mais altas. 4. O hardware para Ethernet passou a ser mercadoria comum, de custo muito baixo. Estrutura do quadro Ethernet Preâmbulo: 7 x : despertam e sincronizam os receptores (10 Mb/s, 100 Mb/s e 1Gb/s). Tipo: indica o protocolo da camada de rede: IP, ARP, IPX... Dados: min 46 bytes e máximo 1500 bytes. CRC: erro ==> nenhum aviso a ninguém! 30/46

31 Ethernet 10 M a 10 Gbits/s. Cobre (T) ou fibra (X). Padrões Ethernet de 100 Mbits/s: uma camada de enlace comum, diferentes camadas físicas 31/46

32 Comutadores da camada de enlace Podemos identificar diversas vantagens no uso de comutadores: Eliminação de colisões. Enlaces heterogêneos. Gerenciamento. Processamento de pacotes em comutadores, roteadores e hospedeiros: ambos dispositivos de armazenamento e repasse roteadores: dispositivos da camada de rede comutadores são dispositivos da camada de enlace roteadores mantêm tabelas de roteamento, implementam algoritmos de roteamento switches mantêm tabelas de comutação, implementam filtragem, algoritmos de aprendizagem 32/46

33 Redes locais virtuais (VLANs) Um comutador que suporta VLANs permite que diversas redes locais virtuais sejam executadas por meio de uma única infraestrutura física de uma rede local virtual. 33/46

34 Redes locais virtuais (VLANs) Conectando 2 comutadores da VLAN a duas VLANs: 2 cabos 34/46

35 Redes locais virtuais (VLANs) Conectando 2 comutadores da VLAN a duas VLANs: entroncados 35/46

36 Redes locais virtuais (VLANs) Quadro Ethernet original (no alto); quadro VLAN Ethernet 802.1Q-tagged (embaixo) 36/46

37 Redes do datacenter Nos últimos anos, empresas de Internet como Google, Microsoft, Facebook e Amazon construíram datacenters maciços. Cada datacenter tem sua própria rede do datacenter que interconecta seus hospedeiros e liga o datacenter à Internet. O custo de um grande datacenter é imenso, ultrapassando US$ 12 milhões por mês para um datacenter de 100 mil hospedeiros [Greenberg, 2009a]. A figura a seguir mostra um exemplo de uma rede do datacenter. 37/46

38 Redes do datacenter Uma rede do datacenter com uma topologia hierárquica TOR: top-of-rack 38/46

39 Síntese: um dia na vida de uma solicitação Web viagem pela pilha de protocolos completa! aplicação, transporte, rede, enlace juntando tudo: síntese! objetivo: identificar, analisar, entender os protocolos (em todas as camadas) envolvidos no cenário aparentemente simples: solicitar página WWW cenário: aluno conecta laptop à rede do campus, solicita/recebe 39/46

40 Um dia na vida: cenário navegador rede comcast /13 servidor DNS rede da escola /24 página Web servidor Web rede da Google /19 40/46

41 Um dia na vida conectando à Internet DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Ethernet Física Solicitação DHCP encapsulada DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP o laptop conectando precisa obter seu próprio endereço IP, end. do roteador do 1o salto e do servidor DNS: use DHCP no UDP, encapsulada no IP, encapsulada na Ethernet DHCP UDP IP Ethernet Física Quadro Ethernet enviado por roteador (roda DHCP) broadcast (dest.: FFFFFFFFFFFF) na LAN, recebido no roteador rodando servidor DHCP Ethernet demultiplexado para IP demultiplexado, UDP demultiplexado para DHCP 41/46

42 DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Ethernet Física DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Ethernet Física roteador (roda DHCP) Servidor DHCP formula ACK DHCP contendo endereço IP do cliente, IP do roteador no 1o salto para cliente, nome & endereço IP do servidor DNS Encapsulamento no servidor DHCP, quadro repassado (aprendizagem do comutador) através da LAN, demultiplexando no cliente Cliente DHCP recebe resposta ACK do DHCP Cliente agora tem endereço IP, sabe nome e endereço do servidor DNS, endereço IP do seu roteador no primeiro salto 42/46

43 Um dia na vida ARP (antes do DNS, antes do HTTP) DNS DNS DNS cons. ARP ARP DNS UDP IP Ethernet Física Broadcast da consulta ARP, recebido pelo roteador, que responde com resposta ARP dando endereço MAC da interface do roteador cliente agora sabe endereço MAC do roteador no 1o salto, e agora pode enviar quadro contendo consulta DNS Ethernet Física Consulta DNS criada, encap. no UDP, no IP, na Ethernet. Para enviar quadro ao roteador, precisa de endereço MAC da interface do roteador: ARP ARP resp. ARP Antes de enviar solicitação HTTP, precisa de endereço IP de DNS 43/46

44 Um dia na vida usando DNS DNS DNS DNS DNS DNS DNS DNS DNS UDP IP DNS DNS UDP IP servidor DNS Ethernet Física Ethernet Física rede comcast /13 DNS Datagrama IP repassado da rede do campus para rede comcast, roteado (tabelas criadas por RIP, OSPF, IS-IS e/ou protocolos de roteamento BGP) ao servidor DNS demultiplexado ao servidor DNS Servidor DNS responde ao cliente com endereço IP de Datagrama IP contendo consulta DNS repassada via comutador da LAN do cliente ao roteador do 1o salto 44/46

45 Um dia na vida conexão TCP transportando HTTP HTTP SYNACK SYN HTTP TCP IP SYNACK SYN SYNACK SYN Ethernet Física para enviar solicitação SYNACK SYN TCP IP SYN SYNACK Ethernet SYNACK SYN Física servidor Web HTTP, cliente primeiro abre socket TCP com servidor Web segmento SYN TCP (etapa 1 na apresentação de 3 vias) roteado interdomínio com servidor Web servidor Web responde com SYNACK TCP (etapa 2 na apresentação de 3 vias) Conexão TCP estabelecida! 45/46

46 Um dia na via solicitação/ resposta HTTP HTTP HTTP HTTP HTTP HTTP TCP IP HTTP HTTP Ethernet HTTP HTTP página Web finalmente (!!!) exibida Física solicitação HTTP enviada ao socket TCP datagrama IP contendo HTTP HTTP TCP IP HTTP Ethernet HTTP HTTP solicitação HTTP roteado para servidor Web responde com resposta HTTP (contendo página Web) Física servidor Web datagrama IP contendo resposta HTTP roteada de volta ao cliente 46/46