06 - Camada de Enlace de Dados. 24 de novembro de 2014

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1 06 - Camada de Enlace de Dados 24 de novembro de 2014

2 2/55 Conteúdo Camada de Enlace de dados segundo OSI Subcamada de enlace lógico Transmissão confiável Subcamada de controle de acesso ao meio Protocolos de controle de acesso ao meio

3 3/55 Camada de Enlace de dados Serviços Endereçamento Transmissão confiável Controle de fluxo Detecção e correção de erros Controle de Acesso ao Meio Compartilhamento de canais broadcast Na camada de enlace são transmitidos datagramas Como é feito o enquadramento? Duas subcamadas Subcamada superior: Logical Link Control (LLC) Subcamada inferior: Media Access Control sub-layer (MAC)

4 4/55 Camada de Enlace de dados segundo OSI Detecta e corrige erros da Camada Física Provê funções básicas para comunicação de entidades da Camada de Rede Permite a criação de circuitos de dados

5 5/55 Serviços para a Camada de Rede Em modo de conexão Endereço de camada de enlace Conexão de enlace Notificação de erros Unidades de dados de serviços Identificadores de pontos de conexão Reset/Reinício da comunicação Parâmetros de qualidade de serviço Em modo sem conexão Endereço Transmissão de unidades de dados Especificação de parâmetros de qualidade de serviço

6 6/55 Endereços da camada de enlace de dados Endereço Entidades da Rede se identificam pelos endereços de Enlace No OSI, um endereço é único na camada de Enlace Conexão e PDU Camada de enlace permite comunicação sem conexão Tamanho da PDU pode ser limitado pelo meio físico Camada de enlace fornece identificadores para entidades da camada de rede Notificação de erros Quando não é possível corrigir erro, camada de enlance avisa camada de rede

7 7/55 Parâmetros de qualidade de serviço Opcional A própria camada de Enlace pode determinar parâmetros de qualidade Tempo médio entre erros detectáveis mas não corrigíveis Disponibilidade de serviços Demora de transmissão Capacidade de transmissão

8 8/55 Comunicação entre NICs Lado emissor Encapsula datagrama no quadro Inclui bits de verificação de erro e controle de fluxo Lado receptor Procura de erros Verifica bits de controle de fluxo Extrai dados do datagrama e envia para camada superior

9 9/55 Subcamada de enlace lógico: Datagramas Ideal: todo datagrama é enviado apenas 1 vez Na ordem certa Com o conteúdo correto Camada de enlace inclui um cabeçalho e um sufixo ao conteúdo sendo transmitido cabeçalho pacote de dados sufixo Como saber se isso é um datagrama?

10 10/55 Enquadramento Como determinar o início e o fim de datagramas? Aonde estão os dados? Abordagens: Enquadramento orientado a caracteres Contagem de tamanho Opção: tamanho fixo Protocolos orientados a bits (uso de flags)

11 ETX indica fim de texto 11/55 Enquadramento orientado a caracteres... SYN SYN STX header dados ETX CRC SYN SYN... Mais usado de 1960 a 1975 Código de caracteres padrões (ASCII ou EBCDIC) tem caracteres reservados para comunicação Comunicação é baseada nesses caracteres especiais SYN 0x16 - Synchronous Idle indica sincronia e ociosidade STX indica início de texto

12 Tabela ASCII 12/55

13 13/55 Problemas com enquadramento baseado em caracteres Dependência ao código de caracteres Como enviar dados binários? Quadros deve ter um número inteiro de caracteres Número de bits deve ser múltiplo do número de bits de um caracter Erros em caracteres de controle são catastróficos Erro em STX provoca perda do início do texto

14 14/55 Enquadramento baseado em campo de tamanho Usar campo de cabeçalho para indicar o tamanho do quadro Receptor conta até o fim do quadro para achar próximo quadro Campo de tamanho precisa usar log 2 TAM MAX + 1 bits Limita tamanho dos quadro Problemas Difícil recuperar de erros Ressincronização após erro na contagem de tamanho Usado na DECnet (1975)

15 15/55 Quadros de tamanho fixo Quadros têm tamanho sempre igual Necessária sincronização na inicialização Problemas: Se tamanho dos dados não é múltiplo do tamanho do quadro Último quadro deve ter conteúdo parcialmente vazio Sincronia pode ser difícil Fragmentação e remontagem dos quadros pode ser difícil em taxas altas Exemplo: Padrões Asynchronous Transfer Mode (ATM) Frames com 53 bytes

16 16/55 Enquadramento orientado a bits Uso de bits indicadores: flags Flag: sequência de bits para indicar início e fim de quadro Flag de início/fim não pode aparecer dentro do frame Comum usar como flag: E usar para erro: < 16 bits Repetição de flag ou somente 1 indica estado ocioso Criado pela IBM (1970) Synchronous Data Link Control (SDLC)

17 17/55 Justificação positiva ou Bit Stuffing (preenchimento de bits) Na transmissão com enquadramento orientado a bits é comum perder sincronia após muitos bits 1s Introdução de 0s para não perder sincronia (SDLC e USB) SDLC usa flag com 6 bits SDLC introduz um 0 a cada cinco bits 1s dos dados originais garante que flag não aparece nos dados Original: Após preenchimento: Remoção Remover todos 0 precedido de O zero precedido por , faz parte da flag

18 18/55 Erros de enquadramento Todas as técnicas de enquadramento são sensíveis a erros Um erro em um campo de tamanho faz o quadro terminar no lugar errado e o quadro seguinte pode ser perdido Erro nos caracters STX, ETX causam o mesmo problema Um erro em uma flag faz um quadro sumir ou um quadro inexistente aparecer Abordagem com flag é menos sensível pois eventualmente uma flag aparece Possível eliminar quadros errôneos com detecção de erros

19 19/55 Técnicas de detecção de erros Usado pelo receptor para determinar se quadro tem erros Se quadro tem erros, receptor pede seu reenvio Técnicas de detecção de erros Verificação de paridade Paridade de bit único Paridade múltipla (vertical ou horizontal) Verificação de redundância cíclica (CRC)

20 20/55 Efetividade de técnicas de detecção de erros Número mínimo de erros d para evitar detecção Se ocorrerem menos que d erros, a detecção é garantida Habilidade de detecção de rajadas de erros (burst) Tamanho máximo B da rajada de erros Probabilidade de reconhecer um bit errôneo como correto

21 21/55 Verificação de paridade de bit único Adicionar um bit para paridade bit é 1, se quadro tiver número ímpar de 1s bit é 0, caso contrário Simplificação assumindo erros independentes P(erro não detectado) = ( k ) i par i p i (1 p) i k é o tamanho do quadro p é a probabilidade de erro de 1 bit

22 Paridade múltipla: horizontal e vertical Verificação vertical Verificação horizontal Bit de paridade é obtido para cada linha e coluna Se um número ímpar de erros estão em uma só coluna, cada erro pode ser detectado pelos bits de paridade das linhas Se ocorrem 4 erros em um quadrado, não é possível detectar erros 22/55

23 23/55 Verificação de Erro Cíclico (CRC) Temos bits de dados: s K 1, s K 2,..., s 0 Representamos bits como um polinômio: s(x) = s K 1 x K 1 + s K 2 x K s 1 x 1 + s 0 Representamos o CRC com L bits como c(x) = c L 1 x L 1 + c L 2 x L c 1 x 1 + c 0 O quadro inteiro pode ser representado como polinômio f (x) = s(x)x L +c(x) = s K 1 x L+K s 0 x L +c L 1 x L c 0 Por quê representação polinomial? Para obter coeficientes ci de c(x) pela divisão de s(x)x L por um polinômio conhecido g(x)

24 24/55 Obtenção de c(x) Temos s i (dados) para i = 0,..., K 1 Como computar c i (CRC) para i = 0,..., L 1? Seja g(x) = x L + g L 1 x L g1x + 1 conhecido (g L = g 0 = 1). então [ ] s(x)x L c(x) = Resto de divisão módulo 2 g(x) Resulta em polinômio de grau L 1 L bits Exemplo: s = 101 (K=3) e g(x) = x 3 + x 2 + 1(L = 3) s(x) =? s(x)x L =? Dividir s(x)x L por g(x) e obter resto.

25 25/55 Exemplo CRC L = 3 s = g(x) = x s(x) = x 5 + x 4 + x s(x)x L = x 8 + x 7 + x 5 + x 3 x 8 + x 7 + x 5 + x 3 x = x 5 + x 4 + x + 1 c(x) = 0x 2 + 1x + 1(L = 3) c =

26 Como c(x) ajuda? s(x)x L = g(x)z(x) + c(x) s(x)x L + c(x) = g(x)z(x) + c(x) + c(x) }{{} 0 em módulo 2 s(x)x L + c(x) = g(x)z(x) f (x) = g(x)z(x) Representação polinomial do quadro é múltipla de g(x) Assumir que f (x) foi recebido como y(x) Receptor recebe y(x) em Frame Check Sequence (FCS) e computa [ ] y(x) Resto g(x) Se Resto 0, então erro! 26/55

27 27/55 Implementação A implementação é realizada com o operador XOR Polinômio: x 3 + x + 1 com coeficientes: < dados d e s l o c a d o s em 3 b i t s < d i v i s o r /XOR < r e s u l t a d o < d i v i s o r < move para o p r i m e i r o b i t < r e s t o (3 b i t s ).

28 28/55 Verificação de código CRC Processo similar ao da obtenção do CRC Se resto for zero, não houveram erros < dados com CRC < d i v i s o r < r e s u l t a d o < d i v i s o r < r e s t o

29 29/55 Erros não detectados Assumir que erro é e(x) tal que y(x) = f (x) + e(x) Então, y(x) g(x) = f (x) g(x) + e(x) g(x) Teremos erros não detectados se e só se e(x) 0 divisível por g(x) Erros únicos (1 bit) são sempre detectados por absurdo, assumir não detectado: e(x) = x i = g(x)z(x) para algum i uma vez que g(x) = x L , multiplicando g(x) por qualquer z(x) 0 não produz x i (deve produzir pelo menos 2 termos)

30 30/55 Frame Ethernet: Frame Check Sequence (FCS) Formato do Quadro Ethernet (IEEE , seção 3.1.1): Preâmbulo: 7 octetos (codificação Manchester) Start Frame Delimiter (SFD): 1 octeto MAC destino: 6 octetos MAC original: 6 octetos EtherType (comprimento/tipo): 2 octetos Dados (payload): 46 a 1500 octetos Frame Check Sequence (FCS): 4 octetos Polinômio CRC Ethernet: g(x) = x 32 +x 26 +x 23 +x 22 +x 16 +x 12 +x 11 +x 10 +x 8 +x 7 +x 5 +x 4 +x 2 +x+1

31 31/55 Características de erros de meios físicos Muitos meios físicos não são ideais Erros não são independentes são comuns erros consecutivos (burts) CRC consegue detectar sequências de erros consecutivos cujo número é menor que o grau do polinômio de detecção

32 32/55 Controle de erros por retransmissão Reconhecimento positivo Aguardar confirmação de recebimento correto, senão retransmite Reconhecimento negativo Retransmite apenas se receber confirmação de recebimento errôneo Reconhecimento contínuo Reconhecimento de até N quadros consecutivos

33 33/55 Subcamada de Controle de acesso ao meio: tipos de conexões Conexões ponto-a-ponto Estrela Em malha Hierárquica Conexões em meio compartilhado (broadcast) Radio difusão via satélite Hub comunicação por barramento Centralizado em anel (token ring IEEE 802.5)

34 34/55 Protocolo de comunicação em broadcast idealizado Quando um host quer transmitir, ele pode enviar na taxa R bit/s Quando M hosts querem transmitir, cada um pode enviar na taxa R/M bit/s Totalmente descentralizado: Nenhum host especial para coordenar transmissões Nenhuma sincronização de relógios, intervalos Simples

35 35/55 Protocolos de controle de acesso ao meio: Conexões broadcast Se todos tem direito ao acesso, quem vai acessar o meio? Abordagem aleatória Abordagem determinística Particionamento Revezamento Como tratar colisões? O que acontece quando duas pessoas tentam falar ao mesmo tempo?

36 36/55 Protocolos de acesso ao meio Time Division Multiple Access Cada usuário tem um momento determinado para acessar o canal Intervalos não usados são perdidos Frequency Division Multiple Access Cada usuário pode transmitir em uma faixa de frequências diferente Faixa não usada é perdida Code Division Multiple Acess (CDMA) Divisão por código (vetores ortogonais), um código por transmissor Acesso aleatório

37 37/55 Acesso aleatório Quando host tem um pacote a enviar: transmite na velocidade de dados R total do canal sem coordenação a priori entre os hosts Dois ou mais transmitindo juntos = colisão Um protocolo de Controle de Acesso ao Meio aleatório: como detectar colisões como recuperar-se de colisões Exemplos de protocolos de Controle de Acesso ao Meio Aleatório: ALOHA CSMA/CD

38 38/55 Protocolos de acesso ao meio: ALOHA puro 1. Transmitir quadro 2. Aguardar ACK por no máximo um período T. Se receber ACK, sucesso. 3. Se não recebe ACK, gerar novo período aleatório T 4. Esperar o período T e retransmitir quadro

39 39/55 Protocolo de acesso ao meio: ALOHA com slots quadros sempre do mesmo tamanho tempo dividido em intervalos de mesma duração, chamado de slots (tempo para enviar 1 quadro) transmissão começa somente no início dos slots hosts são sincronizados se 2 ou mais transmitem no mesmo intervalo, todos percebem a colisão quando host tem quadro a ser enviado, tenta transmissão no slot seguinte se não há colisão: host tenta enviar novo quadro no próximo slot se há colisão: host tenta probabilisticamente enviar em um próximo slot

40 40/55 ALOHA com slots Vantagens: simplicidade um host pode transmitir na velocidade máxima do meio decentralização: sincronismo apenas nos slots Desvantagens: Colisões frequentes, perda de slots Intervalos ociosos Necessário sincronia de relógio

41 41/55 CSMA Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Ouça antes de falar Somente transmite se meio está ocioso

42 42/55 CSMA: colisões Colisões em CSMA ocorrem pois existe tempo de atraso de transmissão Dois podem iniciar a transmissão quase simultaneamente Se há colisão, o tempo de transmissão de um quadro inteiro é perdido

43 43/55 CSMA/CD ou CA Collision Detection (CD) - IEEE Capaz de comparar sinais transmitidos com recebidos Transmissões colididas são abortadas, reduzindo tempo perdido Mais fácil em meios com fio do que meios sem fio Collision Avoidance (CA) - IEEE Evita colisão Se canal está ocupado, espera um tempo aleatório para próxima tentativa

44 44/55 Outros protocolos de acesso ao meio Seleção (Polling) Mestre escolhe quem pode enviar Uso de permissões para envio (Token Ring) Quem tem o token, pode enviar Quando não usar mais o token, passa para o seguinte

45 45/55 Endereçamento: exemplo OSI pede por identificador único na camada de enlace Endereço MAC de NICs, IEEE 802 Cada MAC consiste de 6 bytes MAC são únicos e atribuídos por fabricante Armazenado em Hardware Possível mudar em software

46 posição: mais signi cante 6 bytes º byte 1º octeto 5º byte 2º octeto 4º byte Identi cador Único Organizacional 3º octeto ou 3º byte 4º octeto 2º byte 5º octeto 3 bytes 3 bytes 1º byte 6º octeto Especí co ao Controlador da Interface de Rede (NIC) menos signi cante 8 bits b8 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 0: unicast 1: multicast 0: globalmente único 1: administrado localmente 46/55

47 Figura: Pacote do protocolo Address Resolution Protocol (ARP) sobre um frame Ethernet II 47/55

48 48/55 Endereçamento MAC e tabela ARP Tabela de Address Resolution Protocol (ARP) Conversão de endereço de meio físico e endereço de camada superior MAC address é o CPF e IP é o CEP Se um host A quer falar com B, pergunta seu pelo seu MAC indicando endereço da camada superior

49 49/55 Ethernet Tecnologia LAN IEEE (1983) Camada física e camada de enlace Início com cabo coaxial de 10 Mbit/s Compartilhamento do meio CSMA/CD Praticamente todo ano, tecnologia teve atualizações Gerações futuras: IEEE 802.3ba2-2010, cat8, 100 Gb/s

50 50/55 Até 1995, meio compartilhado Hub broadcast, sem buffering Switch isola hosts, com buffering

51 Quadro Ethernet 51/55 IEEE Packet Ethernet: camada física Frame Ethernet: camada de enlace MAC MAC 802.1q Preâmb Flag dest src VLAN Tipo Payload CRC Intervalo Separador bytes Preâmbulo: repetições de 0x55 (menos significante primeiro) 0x55 = b Flag - delimitador de ínicio de frame - 0xD5 0xD5 = b Intervalo separador: estado ocioso para marcar fim de packet.96ns para 100Gb/s, 96ns para 1Gb/s Tipo indica o protocolo encapsulado no payload

52 52/55 Ethernet O cabeçalho do frame é conhecido como Ethernet II Não oferece confiabilidade Não oferece serviços de conexões Originalmente não usava subcamada LLC (Logical Link Control) IEEE Subnetwork Acess Protocol (SNAP) permite transmitir informações em outras redes que não Ethernet MacOS usa para o AppleTalk Protocolo de compartilhamento de meio: CSMA/CD sem slots

53 53/55 IEEE 802: Família de padrões para LAN e MAN Distâncias Área Tipo Exemplo 1m metro quadrado PAN bluetooth IEEE m sala LAN WiFi IEEE m prédio LAN IEEE km campus/bairro LAN WiMAX IEEE km cidade MAN FDDI km país WAN WiMAX IEEE km continente WAN km planeta Internet Personal Area Network (PAN), Local Area Network (LAN), Metropolitan Area Network (MAN), Wide Area Network (WAN), Body Area Network (BAN) IEEE , Controller Area Network (CAN) ISO IEEE 802 ( padrões para LAN e MAN para redes com pacotes de tamanho variável. Camadas OSI 1 e 2.

54 54/55 Formas e gerenciamento de enlaces Enlace ponto-a-ponto vs. multiponto Estações primárias (controladoras) Estações secundárias (recebem comandos) Gerenciamento de enlace Estabelecimento Transferência de dados Encerramento Reinicialização Controle de fluxo interromper temporariamente transmissão Quadro RR (receiver ready) Quadro RNR (receiver not ready) Bridging (LLC) Agregação de segmentos de enlace ( ) Shortest Path Bridging (IEEE 802.1aq) Spanning Tree Protocols (exemplo IEEE 802.1D)

55 55/55 Referências Computer Networks (Tanembaum) Computer Networking (Kurose) Material didático L. Faina (Facom/UFU) IEEE Standard for Ethernet ( ) IEEE Standard for WirelessMAN-Advanced Air Interface for Broadband Wireless Access Systems ( )