Camada de Enlace e LANs

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1 Camada de Enlace e LANs Magnos Martinello Universidade Federal do Espírito Santo - UFES Departamento de Informática - DI Laboratório de Pesquisas em Redes Multimidia - LPRM Computer Networking: A Top Down Approach 5 th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, April

2 Introdução Terminologia: hosts e routers são nós Canais de comunicação que conectam nodos adjacentes ao longo do caminho de comunicação são enlaces Enlaces cabeados (wired) Enlaces sem fio (wireless) LANs Pacote nesta camada é um quadro (frame) 5-2

3 Endereçamento Endereços IP são de 32-bits: Endereços da camada de rede Usados para levar o datagrama até a rede de destino Endereço MAC (ou LAN ou Ethernet): função: levar o quadro de uma interface para outra interface fisicamente-conectada (mesma rede) Endereços MAC tem 48 bits Gravada na NIC ROM, também configurável por software 5-3

4 Endereços de LAN Each adapter on LAN has unique LAN address 1A-2F-BB AD Broadcast address = FF-FF-FF-FF-FF-FF F7-2B LAN (wired or wireless) D7-FA-20-B0 = adapter 0C-C4-11-6F-E

5 Endereços de LAN A alocação de endereços MAC é administrada pelo IEEE O fabricante compra porções do espaço de endereço MAC (para assegurar a unicidade) Analogia: (a) endereço MAC: semelhante ao número do RG (b) endereço IP: semelhante a um endereço postal Endereçamento MAC é flat => portabilidade É possível mover uma placa de LAN de uma rede para outra sem reconfiguração de endereço MAC Endereçamento IP hierárquico => NÃO portável Depende da rede na qual se está ligado 5-5

6 ARP: Address Resolution Protocol Questão: como determinar o endereço MAC de B sabendo o endereço IP de B? F7-2B LAN A-2F-BB AD D7-FA-20-B0 Each IP node (host, router) on LAN has ARP table ARP table: IP/MAC address mappings for some LAN nodes < IP address; MAC address; TTL> TTL (Time To Live): time after which address mapping will be forgotten (typically 20 min) C-C4-11-6F-E

7 Protocolo ARP: Mesma LAN A wants to send datagram to B, and B s MAC address not in A s ARP table. A broadcasts ARP query packet, containing B's IP address dest MAC address = FF- FF-FF-FF-FF-FF all machines on LAN receive ARP query B receives ARP packet, replies to A with its (B's) MAC address frame sent to A s MAC address (unicast) A caches (saves) IP-to- MAC address pair in its ARP table until information becomes old (times out) soft state: information that times out (goes away) unless refreshed ARP is plug-and-play : nodes create their ARP tables without intervention from net administrator 5: DataLink Layer 5-7

8 Roteando para outra LAN walkthrough: send datagram from A to B via R assume A knows B s IP address C-E8-FF-55 A E6-E BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B 88-B2-2F-54-1A-0F CC-49-DE-D0-AB-7D R B 49-BD-D2-C7-56-2A two ARP tables in router R, one for each IP network (LAN) 5: DataLink Layer 5-8

9 A creates IP datagram with source A, destination B A uses ARP to get R s MAC address for A creates link-layer frame with R's MAC address as dest, frame contains A-to-B IP datagram A s NIC sends frame R s NIC receives frame R removes IP datagram from Ethernet frame, sees its destined to B R uses ARP to get B s MAC address R creates frame containing A-to-B IP datagram sends to B C-E8-FF-55 A E6-E BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B 88-B2-2F-54-1A-0F CC-49-DE-D0-AB-7D R B 49-BD-D2-C7-56-2A 5: DataLink Layer 5-9

10 Ethernet Tecnologia de rede local dominante : Barato R$20 por 100 Mbps! Primeira tecnologia de LAN largamente usada Mais simples e mais barata que LANs com token e ATM Velocidade crescente: 10 Mbps 10 Gbps esboço da Ethernet por Bob Metcalf Prof: Magnos Enlace e LANs 5-10

11 Ethernet Topologia de bus popular em meados dos anos 90 Agora a topologia em estrela prevalece Opções de conexão: hub ou switch (mais adiante) Prof: Magnos Enlace e LANs 5-11

12 Estrutura do Quadro Ethernet Adaptador do transmissor encapsula o datagrama IP (ou outro pacote de protocolo da camada de rede) num quadro Ethernet Preâmbulo: 7 bytes com padrão seguido por um byte com padrão usado para sincronizar o relógio do transmissor e do receptor Prof: Magnos Enlace e LANs 5-12

13 Estrutura do Quadro Ethernet Endereços: 6 bytes Se o adaptador recebe um quadro com endereço de destino coincidente ou com endereço de broadcast (ex., pacote ARP), ele passa o dado no quadro para o protocolo da camada de rede Tipo: indica o protocolo da camada superior; geralmente é o protocolo IP, mas outros podem ser suportados, tais como Novell IPX e AppleTalk CRC: verificado no receptor; se um erro é detectado, o quadro é simplesmente descartado Prof: Magnos Enlace e LANs 5-13

14 Serviço não confiável e sem conexão Sem conexão: não ocorre conexão entre o adaptador transmissor e o receptor Não confiável: adaptador receptor não envia ACKs ou NACKs para o adaptador transmissor O fluxo de datagramas que passa para a camada de rede pode deixar lacunas Lacunas serão preenchidas se a aplicação estiver usando TCP Caso contrário, a aplicação verá as lacunas Prof: Magnos Enlace e LANs 5-14

15 Ethernet usa CSMA/CD Adaptador não transmite se ele detectar algum outro adaptador transmitindo, isto é, carrier sense O adaptador transmissor aborta quando detecta outro adaptador transmitindo, isto é, collision detection Antes de tentar uma retransmissão, o adaptador espera um período aleatório, isto é, random access Prof: Magnos Enlace e LANs 5-15

16 Algoritmo CSMA/CD da Ethernet 1. O adaptador recebe um datagrama da camada de rede e cria um quadro. 2. Se o adaptador detecta um canal livre, ele começa a transmitir o quadro. Se ele detecta o canal ocupado, espera até ele ficar livre e então transmite. 3. Se o adaptador transmite o quadro todo sem detectar outra transmissão, sua missão com esse quadro está cumprida! 4. Se o adaptador detecta outra transmissão enquanto transmite, ele aborta e envia um jam signal. 5. Após abortar, o adaptador entra em exponential backoff: após a m-ésima colisão, o adaptador escolhe um K aleatório de {0,1,2,,2 m -1}. O adaptador espera K 512 tempos de bit e retorna ao passo 2. Prof: Magnos Enlace e LANs 5-16

17 10BaseT e 100BaseT Taxa de 10/100 Mbps; chamado mais tarde de fast ethernet T significa Twisted Pair (par de fios trançados de cobre) Nós se conectam a um hub: topologia em estrela ; 100 m é a distância máxima entre os nós e o hub Prof: Magnos Enlace e LANs 5-17

18 Hubs Essencialmente repetidores da camada física: bits coming in one link go out all other links at same rate all nodes connected to hub can collide with one another no frame buffering twisted pair hub 5-18

19 Interconectando com hubs Backbone hub interconnects LAN segments Extends max distance between nodes But individual segment collision domains become one large collision domain hub hub hub hub 5-19

20 Comutador (Switch) Dispositivo da camada de enlace: Armazena e encaminha (store, forward) Ethernet frames Examina o endereço do quadro MAC que chega, seletivamente encaminha o quadro para um ou mais interfaces de saída Quando o quadro é para ser encaminhado para um segmento de rede, usa o protocolo CSMA/CD transparente hosts não estão cientes da presença de comutadores switches plug-and-play, self-learning switches não precisam ser configurados 5: DataLink Layer 5-20

21 Switch Table Q: Como que o switch sabe que A alcançável pela interface 4, B alcançável via interface 5? R: cada switch tem uma tabela de comutação e cada entrada da tabela é: (MAC address of host, interface to reach host, time stamp) Q: como são as entradas criadas e mantidas na tabela? C B 6 5 A A B switch com seis interfaces (1,2,3,4,5,6) C 5: DataLink Layer 5-21

22 Switch: auto-didata Source: A Dest: A A A A switch learns which hosts can be reached through which interfaces C B when frame received, switch learns location of sender: incoming LAN segment records sender/location pair in switch table B A C MAC addr interface TTL A 1 60 Switch table (initially empty) 5: DataLink Layer 5-22

23 Switch: frame filtering/forwarding Quando um switch recebe um quadro: registra a interface associada com o host emissor indexa a tabela do switch usando end. MAC de destino if entrada for encontrada para o destino then{ if dest. no segmento deste quadro chegou then descarta o quadro } else encaminha o quadro na interface indicada else flood Encaminha para todas as interfaces, exceto para aquela em que o quadro chegou Prof: Magnos Enlace e LANs 5-23

24 Self-learning, forwarding: example C A A A Source: A Dest: A B frame destination unknown: flood destination A location known: selective send B 1 2 A 6A A A A C MAC addr interface TTL A 1 60 A 4 60 Switch table (initially empty) 5: DataLink Layer 5-24

25 Switch: acesso direto Switch com muitas interfaces Hospedeiros possuem conexão direta ao switch Sem colisões; full-duplex Cut-through switching: quadro encaminhado da porta de entrada até a porta de saída sem ter de primeiro coletar o quadro todo Ligeira redução na latência Combinações de interfaces 10/100/1000 Mbps compartilhadas/dedicadas Switching: A-para-A e B-para-B, simultaneamente, sem colisões Prof: Magnos Enlace e LANs 5-25

26 Interconnecting switches switches can be connected together S 4 A B S 1 C S 2 D E F G S 3 H I Q: sending from A to F - how does S 1 know to forward frame destined to F via S 4 and S 2? A: self learning! (works exactly the same as in single-switch case!) 5: DataLink Layer 5-26

27 Switch example Suppose C sends frame to D A switch hub hub hub address I A B E G interface B C D E F G H Switch receives frame from from C notes in bridge table that C is on interface 1 because D is not in table, switch forwards frame into interfaces 2 and 3 frame received by D 5: DataLink Layer 5-27

28 Switch example Suppose D replies back with frame to C. A switch hub hub hub address I A B E G C interface B C D E F G H Switch receives frame from from D notes in bridge table that D is on interface 2 because C is in table, switch forwards frame only to interface 1 frame received by C 5: DataLink Layer 5-28

29 Switch: traffic isolation switch installation breaks subnet into LAN segments switch filters packets: same-lan-segment frames not usually forwarded onto other LAN segments segments become separate collision domains switch collision domain hub hub hub collision domain collision domain 5: DataLink Layer 5-29

30 Rede Institucional to external network router mail server web server IP subnet 5: DataLink Layer 5-30

31 Switches vs. roteadores Comutadores vs. Roteadores Ambos são dispositivos store-and-forward Roteadores: dispositivos de camada de rede (examinam cabeçalhos da camada de rede) Switches são dispositivos da camada de enlace Roteadores mantêm tabelas de roteamento, implementam algoritmos de roteamento Switches mantêm tabelas de switch, implementam filtragem, algoritmos de aprendizagem Prof: Magnos Enlace e LANs 5-31

32 Resumo: comparação Resumo hubs roteadores comutadores isolação de tráfego não sim sim plug & play sim não sim roteamento ótimo não sim não cut through sim não sim Prof: Magnos Enlace e LANs 5-32

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