REDES DE COMPUTADORES I

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1 REDES DE COMPUTADORES I Versão 1.4 Por: Analucia Schiaffino Morales De Franceschi Verônica Conceição Oliveira da Silva 2010

2 1. Comunicação de dados Significa a transferência de informação entre um transmissor e um receptor. No entanto, existem outros componentes que precisam estar presentes neste cenário para que a troca de informações entre transmissores e receptores seja possível. Existe a necessidade de meios de transmissão, protocolos e a transformação da informação em sinais. A informação pode se apresentar de várias formas, e está em geral constituída de duas partes: uma forma de representação, ou seja, dados, e um mecanismo de interpretação, que transforma dados em informação (e vice-versa). Por exemplo, o cérebro humano tem mecanismos para interpretar os desenhos de letras impressas como palavras e conceitos de uma língua, e extrair informação de um texto escrito. É de se notar que com o uso de mecanismos diferentes de interpretação, informações diferentes podem ser extraídas de um conjunto de dados, e por sua vez representadas em outra forma, adequadas para outros interpretadores; isso configura uma transformação de dados, é uma das principais atividades envolvendo informação, e por si só pode gerar nova informação. É executada por consultores e especialistas que destrincham uma situação complicada para seu cliente, por tradutores ao passar um texto de uma língua para outra, por computadores ao transformar uma grande massa de dados em relatórios inteligíveis por um ser humano. Observe os exemplos a seguir: Figura 1 Comunicação entre elementos de TI. Figura 2 Comunicação entre elementos de telefonia. Redes de Computadores I - 2

3 Figura 3 Comunicação entre elementos de TI. Figura 4 Comunicação entre elementos de TI e telefonia. 1.1 A importância dos sistemas de comunicação de dados Informação transmitida e recebida de forma correta e de qualidade possibilita: A correta tomada de decisões; O planejamento de direções a serem seguidas; Estratégias a serem desenvolvidas nos negócios. Informação armazenada é conhecimento acumulado que pode ser consultado, utilizado e transferido, servindo como um fornecedor de ensino e cultura para a sociedade. A importância da comunicação de dados para a sociedade se destaca nas estruturas de telecomunicações e informática por gerar uma atividade econômica maior devido à facilidade de acesso às informações. Além disso, permite uma geração maior de riquezas num menor espaço de tempo, permitindo o acesso a bens e serviços. Sistemas de comunicação eficientes permitem às empresas: Maior produção; Maior agilidade; Maior vendas; Conseqüentemente mais empregos e oportunidades de negócio. Além da distribuição da informação, é preciso dar atenção ao tratamento que é dado à informação e a qualidade com que ela é apresentada. Tão importante quanto à transmissão é a compreensão das informações. Para que transmissores e receptores se entendam é necessário que falem o mesmo código, símbolos ou linguagens, dentro de regras pré-estabelecidas as quais são chamadas protocolos de comunicação. Protocolos são programas baseados em regras pré-determinadas que permitam a transferência entre dois pontos, controlando o envio e a recepção de informações, verificando a existência de erros, confirmando a recepção dos dados, Redes de Computadores I - 3

4 fazendo o controle de fluxo dos dados, endereçando as mensagens enviadas e controlando outros aspectos da transmissão. Protocolo é um programa carregado nos computadores que se comunicam entre si, sendo responsável pela transmissão, recebimento e checagem das mensagens transmitidas e recebidas. Como é realizada a transmissão e recepção das mensagens? No caso de uma transferência de arquivos: o programa lê os dados e divide-os em blocos. Estes blocos são transmitidos para a máquina receptora. O programa de comunicação do receptor recebe o bloco de dados, armazena-o na memória, verifica a integridade e o endereço de destino. Se os dados recebidos estiverem íntegros, são acatados e gravados em um arquivo em disco, por exemplo. O computador receptor confirma ao computador transmissor o recebimento do bloco de dados corretamente e solicita que envie outro bloco de dados. Além da transmissão dos dados os protocolos servem para garantir a integridade, autenticidade e segurança dos dados. Quando existe a detecção de erros os protocolos podem ou não solicitar a retransmissão dos dados. Nem todos os protocolos têm características de verificação e correção de erros. Rede pública: Internet Rede privada: enlaces entre escritórios Rede remota: s, acesso ao banco, etc. Aplicações: correio eletrônico, comércio eletrônico, home-banking, navegação Internet, gerência de documentos, gerência da rede. 1.2 Aplicações de comunicação de dados Segundo TANEMBAUM [2003], as aplicações podem ser divididas em aplicações comerciais, domésticas, comércio eletrônico e de usuários sem fio. Normalmente, estão baseados no Modelo Cliente/Servidor: Características de Servidores: oferecem serviços aos clientes das redes. Normalmente, são máquinas que necessitam de muitos recursos para garantir a qualidade dos serviços de redes oferecidos. Alta capacidade de armazenamento memória e disco; Alta capacidade de processamento; Periféricos de boa qualidade: impressoras, gravadores de CD, etc. Características de Clientes: solicitam os serviços aos servidores. Máquinas com menos recursos apenas realizam a solicitação, a execução é realizada no servidor. 1.3 Tipos de Aplicações As aplicações são classificadas em tipos distintos, variando com o objetivo de sua utilização, usualmente classificadas em três tipos: Aplicações Comerciais Objetivos: compartilhamento de recursos e de informações. Comunicação entre pessoas da empresa. Conseqüência: permitem o controle das informações e agilidade nos processos envolvidos. Exemplos: monitoração de produção; controle de estoques; folhas de pagamento on-line; emissão de contracheques; dentre outros. Tarefa: Solicitar aos alunos a representação de um cenário de aplicação que envolva comunicação de dados. Outros exemplos de aplicações comerciais: área da indústria, agências de turismo e firmas jurídicas. Redes de Computadores I - 4

5 1.3.2 Aplicações Domésticas Objetivo: entretenimento e agilidade, pesquisa educacional. Exemplos: Jogos; Filmes; Música; Acesso a bancos; Compras de supermercado; Biblioteca Digital. Exemplos de bibliotecas digitais disponíveis: PUCRJ; IEEE (International Electric and Electronics Engineering): ACM (Association for Computing Machinery) IETF (The Internet Engineering Task Force): Biblioteca Virtual Pesquisas estão sendo realizadas para a disponibilidade de, além das teses e dissertações, de livros na WEB. Existem formatos aperfeiçoando o PDF para que se aperfeiçoe espaço de armazenamento Aplicações de Comércio e Negócio Eletrônico Objetivo: com a venda direta ao consumidor é possível a redução de estoques. O consumidor pode escolher o produto de forma personalizada. Exemplo: Compra de carros direto da fabrica através da WEB; Usuários sem fio: Aeroportos, vendas dos mais diversos produtos, pesquisa usando palms e restaurantes. 1.4 Tipos de Informação Os tipos de informação mais comuns são: Arquivos de dados; Mensagens; Imagens digitalizadas; Voz digitalizada; Música. 2. Comunicação de dados Uma topologia define a estrutura de interconexão dos componentes de uma rede, ou seja, de que forma eles estão conectados, a topologia irá depender ainda, do tipo de equipamentos que se deseja ligar, a partir daí será possível escolher a topologia. Cada protocolo segue uma topologia diferente. Os componentes de uma topologia de rede são: Nós ou nodos de rede que são compostos por elementos terminais da rede, que podem ser estações de trabalho, hosts ou simplesmente computadores interligados na rede. As ligações entre estes nós podem ser ponto-a-ponto ou multiponto. 2.1 Quanto a Estrutura As redes podem ser classificadas quanto a sua estrutura dependendo da forma como estão interconectadas lógica ou fisicamente. Redes de Computadores I - 5

6 2.1.1 Ponto a Ponto Ligações simples: Apenas entre dois nós denominada de ligações (ou enlaces) ponto a ponto. Figura 5 Conexão ponto a ponto entre hosts. Outro exemplo é a ligação serial entre dois roteadores. Figura 6 Conexão ponto a ponto entre roteadores Multiponto Ligações complexas interligando diversos pontos da rede de forma hierárquica ou não. Figura 7 Conexão entre múltiplos pontos Estrela Todos os pontos convergem para um ponto central como representado pela figura abaixo. Figura 8 Conexão em estrela. Redes de Computadores I - 6

7 Anel É unidirecional, os dados passam por todos os nós da rede. Existe um algoritmo para coordenar a seqüência de transmissão do anel. Problema: Se der uma falha no anel, já era. Existem tecnologias como o FDDI que implementa dois anéis para prevenir as falhas. Figura 9 Conexão em anel Barramento Estações conectadas ao longo de um cabo que compartilham todas as informações. Exemplo: Ethernet com conectores BNC e terminadores de final de linha. Figura 10 Conexão em estrela. Tipo de Topologia Pontos Positivos Pontos Negativos Topologia Estrela Mais tolerante a falhas; fácil de Custo de instalação elevado, instalar usuários; pois demanda mais cabos. monitoramento centralizado. Topologia Anel Razoavelmente fácil de instalar; requer menos cabos; desempenho uniforme. Se uma estação pára, todas param; os problemas são mais difíceis de isolar. Topologia Barramento Simples e fácil de instalar, requer menos cabos; fácil de entender. A rede fica mais lenta em períodos de uso intenso; os problemas são difíceis de isolar Malha Nós conectados todos entre sim, cada um conectado a cada elemento da rede individualmente. Exemplo: Backbones de operadoras. Redes de Computadores I - 7

8 Figura 11 Conexão em malha Híbrido Topologia composta pela agregação de uma ou mais tipos de estrutura de rede. 2.2 Quanto a Escalabilidade As redes podem ser classificadas quanto a sua escalabilidade dependendo da forma de abrangência que suas conexões proporcionam. Redes Pessoais (PANs) pequenas distâncias, cobertura ao redor de um indivíduo Exemplos rede pessoal, telefone interconectado ao notebook ou fone de ouvido Bluetooth. Redes Locais (LANs) pequenas distâncias, cobertura a salas, prédios e laboratórios. Exemplos rede local de um escritório. Redes Metropolitanas (MANs) distâncias maiores, cobertura de campus e cidades. Redes metropolitanas de TV a cabo que interligam diversos usuários em uma mesma região. Figura 12 Rede Metropolitana (fonte: TANEMBAUM) Redes de Longa Distância (WANs) distâncias geográficas maiores, entre estados, países e continentes. Alguns autores classificam a rede mundial de computadores, a Internet, como uma rede com a abrangência do planeta. Redes de Computadores I - 8

9 Figura 13 Mapa do Backbone RNP situação em dezembro de (Fonte: RNP) 2.3 Quanto ao Acesso De acordo com o acesso as informações as redes podem ser classificadas como públicas ou privadas Redes Públicas Não existe restrição de uso, qualquer usuário pode acessar. Exemplo: A Internet Redes Privadas Acesso restrito a um grupo de usuários que normalmente fazem parte de um grupo ou empresa. Serviço fornecido por concessionárias de redes telefônicas, tais como, a Embratel. 2.3 Meios de Transmissão Alguns dos meios de transmissão mais utilizados na ligação de computadores são meio magnético, par trançado, o cabo coaxial, a fibra óptica, as ondas rádio e de satélite e as ondas infravermelhas. Segundo o Tanembaum [2003], os meios de transmissão conhecidos são: Meio Magnético: Uma das formas mais comuns de transportar dados de um computador a outro é gravá-los em uma fita magnética ou em discos flexíveis, transportar fisicamente a fita ou os discos para a máquina de destino, onde eles serão finalmente lidos. Par Trançado: É um dos meios mais antigos e mais comuns, consiste em dois fios de cobre encapados que enrolados de forma helicoidal, a aplicação mais comum do par trançado é o sistema telefônico. Redes de Computadores I - 9

10 Figura 14 Cabo par trançado, UTP (Fonte: TELECO) Cabo Coaxial Condutor metálico instalado de forma concêntrica (mesmo centro) relativamente a uma blindagem exterior envolvente. Ambos os condutores partilham um eixo central comum (coaxial). Figura 15 Cabo coaxial, 5mm (Fonte: TELECO) Rádio As ondas de rádio são fáceis de gerar, percorrem longas distâncias e penetram os prédios facilmente e, portanto, são largamente utilizadas para comunicação, seja em ambientes fechados ou abertos. Infravermelho Os controles remotos utilizados nas televisões, videocassetes e estéreos empregam a comunicação infravermelha. Essas ondas são relativamente direcionais, baratas e fáceis de construir, mas têm um grande inconveniente: não atravessam objetos sólidos. Exercícios: 1. O que é comunicação de dados? 2. Cite cinco aplicações de comunicação de dados. 3. Por que é mais fácil de eliminar o ruído quando a transmissão é realizada através de sinais digitais 4. Pesquise os principais meios de transmissão (pelo menos cinco). 5. Quais as topologias de redes do tipo multiponto? Cite um exemplo de cada. Redes de Computadores I - 10

11 3. Modelos de referência No intuito de padronizar e possibilitar a interconectividade entre elementos de rede de diferentes fabricantes, a ISO (International Standards Organization) em conjunto com a ITU (International Telecommunications Union) define um modelo de referência de interconexão de sistemas abertos, nomeado de OSI (Open System Interconnection). O objetivo principal é criar camadas de abstração com funções e serviços bem definidos que cada camada deve realizar. 3.1 Arquitetura de Redes Arquitetura de rede é composta por protocolos, camadas, interfaces e serviços. Cada camada oferece um conjunto de serviços a sua camada superior e o fluxo de informações trafega entre as camadas até o meio de rede seguindo ao destinatário e trafegando as informações entre as camadas até atingir a camada final superior. Protocolo é um acordo pré-estabelecido entre as partes para prover a comunicação. Camada/ Nível é uma divisão do modelo, onde cada camada/nível de um protocolo se comunica com sua referência. Interface é responsável pela comunicação entre camadas. Serviço é o que cada camada oferece à sua camada superior. Um modelo de funcionamento de camadas pode ser observado na figura a seguir. 3.2 Projeto Relacionado a Camadas Figura 16 Modelo de camadas Endereçamento, cada camada deve identificar a origem e destino do pacote. Controle de erros é importante para o fluxo dos pacotes, pois os meios físicos são sujeitos a falhas. Controle de fluxo é como os dados serão transmitidos, relacionados à velocidade do transmissor/ receptor Roteamento, por quais caminhos serão encaminhados os pacotes. Cada camada é um processo independente. A comunicação lógica ocorre entre as camadas de mesmo nível através dos protocolos. A comunicação real ocorre de forma vertical até a camada mais baixa (física). Cada camada oferece serviços à camada superior e utiliza-se de serviços da camada anterior. Redes de Computadores I - 11

12 3.3 Hierarquia de Rede Serviços orientados a conexão, estabelece uma conexão com o destino, inicia a transmissão dos dados e finaliza a conexão. Serviços sem conexão, os dados são enviados ao meio que pode utilizar canais de comunicação distintos. 3.4 Modelo OSI Estabelecido pela ISO em conjunto com ITU estabelece um modelo de camadas abstrato que permite a interoperabilidade de diversos elementos da rede de diferentes fabricantes. O modelo OSI é composto por sete camadas: Física, Enlace, Rede, Transporte, Sessão, Apresentação e Aplicação. Cada camada possui serviços bem definidos que são oferecidos à camada superior. Figura 17 Modelo de referência OSI Camada Física A camada física é a mais baixa, define as interfaces mecânicas, elétricas e de sincronismo para a rede, contemplando o meio físico de transmissão situado abaixo desta camada. Também trata a transmissão de bits brutos através de um canal de comunicação Camada de Enlace A camada de enlace é responsável por transformar um canal de transmissão em uma linha aparentemente livre de erros, que possibilita a comunicação dos dados. Esta camada possui serviços capazes de dividir os dados em quadros e transmitir de forma seqüencial, podendo ou não receber confirmação dos quadros enviados. Permite a comunicação eficiente e confiável no nível de enlace, ajusta o controle de fluxo dos dados para que velocidades distintas sejam passíveis de comunicação entre si, além de controlar e corrigir os erros durante a comunicação. Agrega a subcamada de acesso ao meio que trata do controle de acesso a um canal compartilhado. Esta camada está presente entre a camada de enlace e a camada física. Camada MAC (Medium Access Control) Trata dos protocolos que definem o próximo nó a transmitir em um canal multiacesso. É a camada inferior da camada de enlace, realiza demais funções de enlace + físico. Camada LLC (Logical Link Control) Própria para redes sem fio, oculta diferença entre os diversos tipos de redes 802, fornecendo um formato único para a camada de rede Camada de Rede Controla a operação da subrede, determina como os pacotes serão roteados da origem até o destino. Trata do controle de congestionamento das redes, da qualidade do serviço fornecido e dos endereçamentos de rede. Supera diversos problemas a fim de permitir a interconexão entre redes heterogêneas. A cada de enlace e camada de rede possuem funções distintas e bem definidas. Endereçamentos de rede (IP) = Rede, Redes de Computadores I - 12

13 Endereçamentos físicos (MAC) = Enlace, 00:AF:52:3E:FF:A4 Rede possui endereçamento hierárquico, pode repetir em redes distintas; atua com os protocolos de roteamento (RIP, OSPF, BGP, IGRP, etc.). Enlace possui endereçamento não hierárquico, único e exclusivo para cada interface de rede; não pode ser alterado e opera apenas nas redes locais, sem roteamento, protocolo ARP. 3.5 Modelo TCP/IP Estabelecido pela RFC 1180, o modelo de referência TCP/IP é um padrão aberto para internet. Este padrão surgiu da necessidade do departamento de defesa dos Estados Unidos, através deste modelo é possível a comunicação entre nós da rede em quaisquer pontos geograficamente distantes. Figura 18 Modelo de referência TCP/IP 3.5 Comparativo Entre os Modelos OSI e TCP/IP Ambos são baseados em conceito de pilhas de protocolos independentes. Possuem camadas com funções semelhantes. O modelo OSI diferencia claramente serviços, interfaces e protocolos. O modelo OSI foi criado antes dos protocolos, modelo TCP/IP foi criado após, descrevendo o protocolo TCP/IP. Os modelos OSI e TCP/IP possuem número de camadas distintas. Exercícios: 6. O presidente da Specialty Paint Corp. resolve trabalhar com uma cervejaria local com a finalidade de produzir uma lata de cerveja invisível (como uma medida higiênica). O presidente pede que o departamento jurídico analise a questão e este, por sua vez, entra em contato com o departamento de engenharia. Como resultado, o engenheiro-chefe entra em contato com o funcionário de cargo equivalente na outra empresa para discutir os aspectos técnicos do projeto. Em seguida, os engenheiros enviam um relatório a seus respectivos departamentos jurídicos, que então, discutem por telefone os aspectos legais. Por fim, os presidentes das duas empresas discutem as questões financeiras do negócio. Esse é um exemplo de protocolo em várias camadas no sentido utilizado pelo modelo OSI? 7. Qual é a principal diferença entre a comunicação sem conexão e a comunicação orientada a conexões? 8. O que significa "negociação" em uma discussão sobre protocolos de rede? 9. Diferencie o modelo de referência OSI e o TCP/IP. 10. Considerando o modelo OSI, aponte qual das camadas trata as tarefas: a. Dividir o fluxo de bits transmitidos em quadros. b. Definir a rota que será utilizada na subrede c. Definir os protocolos de rede a serem utilizados por cada pacote para trafegar no meio. d. Responsável pela unificação das diferentes representações dos dados nos computadores. Redes de Computadores I - 13

14 11. As camadas de rede e enlace possuem funções que se complementam para a efetivação da comunicação dos dados no meio de rede, essas camadas poderiam ser agregadas em uma única, suprindo muitos de seus serviços distintos e garantindo o fluxo dos dados nos meios de rede? Explique. 4. Introdução as camadas de rede Um sistema de comunicação de dados consiste de pelo menos um transmissor, um receptor, informações e pelo menos um meio de transmissão. Para representar os dados é necessário algum tipo de energia eletromagnética, geralmente sinais eletromagnéticos são propagados através do meio de transmissão. Este meio pode ser guiado ou não. Exemplos de meios guiados são: cabos coaxiais, cabos de par trançado ou fibra óptica. Exemplos de meios não guiados são o ar através de ondas de rádio, microondas e celulares. A transferência de informações deve ser estabelecida e mantida através de níveis aceitáveis de serviços, medidos através da velocidade de conexão, da taxa de transferência, do tempo de resposta, da verificação de erros, e, finalmente, através do custo. As informações transportadas podem ser: voz, texto, vídeo, imagem ou puramente dados; ou a combinação de todos, que chama-se de multimídia. Os recursos destinados a transmissão de dados devem garantir a integridade dos dados, devem existir mecanismos que garantam que o que está sendo transmitido é o mesmo que está sendo recebido. Mesmo que os dados sejam comprimidos, criptografados ou até mesmo fragmentados, os recursos de comunicação de dados precisam garantir a integridade das informações. A energia eletromagnética empregada para transferir os dados pode ser na forma de impulsos elétricos ou energia irradiada sob a forma de ondas de rádio ou feixes de luz. Os meios de comunicação empregados podem incluir condutores metálicos (por exemplo, par trançado ou cabo coaxial); espaço livre, ou ondas (por exemplo, a tecnologias de rádio, como microondas, satélite ou celular); e fibras de vidro ou plástico. Neste capítulo, serão estudados os conceitos das camadas de enlace, camada física e dos meios de transmissão. São conceitos gerais de comunicação de dados e de redes de computadores que abrangem todas as tecnologias desta área, ao longo do texto serão exploradas vantagens e desvantagens de cada técnica empregada. No final do capítulo serão abordadas as tecnologias de redes. 5. Camada de enlace A camada de enlace está situada entre a camada física e a camada de rede do modelo OSI. Para oferecer serviços para a camada de rede, a camada de enlace de dados deve usar o serviço oferecido pela camada física. A camada física deve aceitar um fluxo de bits brutos e tentar entregá-los ao destino. Não há uma garantia de que esse fluxo de bits seja livre de erros. O número de bits pode ser menor, igual ou maior do que o número de bits transmitidos, e eles podem ter valores diferentes dos bits transmitidos originalmente. A camada de enlace é responsável por detectar e se necessário, corrigir os erros. A figura 1 ilustra a complexidade de um ambiente de comunicação de dados com acesso à Internet. Em geral, a estratégia adotada pela camada de enlace para verificação de erros, é dividir o fluxo de bits em quadros e calcular o total da verificação em relação a cada quadro. Quando o quadro chega ao seu destino o total de verificação é recalculado. Se o total de verificação recém-calculado for diferente do que está contido no quadro, a camada de enlace identifica que houve um erro na transmissão deverá tomar providências, como por exemplo, solicitar a retransmissão descartando o quadro defeituoso. [Tanembaum, 2003, capítulo 3] Principais funções da camada de enlace: Fornecer uma interface de serviço bem definida. Lidar com os erros de transmissão. Regular o fluxo de dados, de forma que receptores lentos não sejam atropelados por transmissores rápidos. Evitar que um transmissor envie mais quadros do que o receptor possa recebê-los. Existem duas abordagens, por feedback, em que o receptor envia de volta ao transmissor informações sobre o controle do fluxo. E baseado na velocidade: o protocolo pode possuir um mecanismo interno para limitar a velocidade com que o transmissor possa enviar os dados. Na camada de enlace normalmente é adotado esquemas de feedback. Redes de Computadores I - 14

15 Meio de Transmissão Figura 19 Camadas iniciais do modelo OSI 1 Fornecer uma interface de serviço bem definida para a camada de rede; 2 Enquadramento; 3 Lidar com os erros de transmissão; 4 Regular o fluxo de dados; 5 Controle de acesso ao meio de transmissão. 5.1 Principais Funções O nível de enlace é responsável por tornar o nível físico em uma linha de transmissão livre de erros. Para que isto ocorra, as seguintes funções são estabelecidas para este nível e podem ou não estar presente nas tecnologias de enlace Enquadramento É a formação dos quadros. Ou melhor, a divisão dos campos que compõem a unidade de transmissão do nível de enlace. É chamada de quadro (frame). Cada tecnologia define em seu projeto como deverá ser este quadro. Formato geral dos quadros Os quadros do nível de enlace são formados em geral, por um cabeçalho com informações de controle, a carga útil, que são os dados carregados e um campo indicando o final do quadro. Figura 20 - Formato geral do quadro. Relacionamento entre pacotes e quadros O tamanho dos quadros é limitado pela camada física, através do MTU (Maximum Transfer Unit). Este limite depende do tipo de tecnologia que está sendo empregada. Como por exemplo, nas redes locais com Ethernet este limite é de 1500 bytes com jumbo frame o quadro pode ter 9216 bytes, enquanto no Frame-Relay é de 1600 bytes, nas células ATM (Asynchronous Transfer Mode) é de 53 bytes, FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 4500 bytes e quadros jumbo frame 9500 bytes. Figura 21 - Relação entre quadros e pacotes Controle de Erros É praticamente impossível não existir erros na transmissão de dados. Através de meios de transmissão confiáveis é possível reduzir a freqüência dos erros, mas não é possível eliminálos. Desta forma, a chamada mais próxima da transmissão é a de enlace, e esta deve garantir a integridade dos dados, ou seja, aquilo que foi enviado deverá ser recebido. Esta é a primeira camada em que os dados foram enquadrados dando um significado à transmissão. No nível abaixo apenas entende-se sinais elétricos (ópticos) e a conversão para bits. Redes de Computadores I - 15

16 5.1.3 Controle de Fluxo O nível de enlace deve controlar o fluxo para que um transmissor rápido não inunde um receptor lento. Este nível deve definir a quantidade de dados que podem ser transmitidos sem ter que receber um reconhecimento do receptor. O dispositivo receptor deve ser capaz de sinalizar quando não pode mais receber os dados para evitar que o buffer do receptor não tenha mais condições de receber os dados, e que ocorram retransmissões desnecessárias ou perda dos quadros que estão sendo transmitidos Controle de Acesso Quando o meio de transmissão é compartilhado é necessário determinar quem tem acesso ao meio de transmissão em cada momento. Esta função é necessária para evitar colisões nas transmissões ocasionando perdas de sinais e excessos de retransmissões. O exemplo mais conhecido de tecnologia de redes que possui esta função são as redes Ethernet ou Fast Ethernet, que possuem o CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). 5.2 Serviços Oferecidos à Camada Superior (Rede) Os serviços que podem ser oferecidos à camada de rede são: serviço sem conexão e sem confirmação, serviço orientado à conexão sem confirmação ou ainda, orientado a conexão com confirmação Serviços sem conexão e sem confirmação O transmissor envia os quadros sem se preocupar com: Se estão sendo recebidos pelo destino e nem em que ordem estão sendo recebidos. Meio não confiável para transmissão dos dados. Exemplos: Sem conexão e sem confirmação: Velocidade Transmissão de voz; Serviços sem conexão e com confirmação Normalmente, encaminham um reconhecimento sobre o quadro recebido. Esta confirmação pode ser positiva ou negativa sobre os quadros recebidos. Quando recebe uma confirmação positiva o quadro foi recebido de forma correta, quando recebe uma confirmação negativa é porque algo saiu errado e é necessária uma retransmissão. Quando existem problemas de hardware que façam com que o quadro desapareça por completo existe um problema adicional. Este problema é tratado em muitos protocolos com a inserção de timers na camada de enlace. Quando um quadro é transmitido é inicializado um timer. Este timer é ajustado para ser desativado após um intervalo suficientemente longo para o quadro chegar ao destino, ser processado e ter a sua confirmação enviada de volta ao transmissor. Se o quadro é recebido e a confirmação retornar antes de alcançar o limite do timer ele será desativado. Exemplo: Sem conexão e com confirmação: Não existe uma conexão lógica, cada quadro é confirmado individualmente. Quando existir um número elevado de erros no meio de transmissão ocorrerá um número elevado de retransmissões, ocasionando retardo na entrega dos pacotes no receptor. Recurso muito utilizado em redes sem fio (wi-fi) Orientados a conexão e com confirmação Quadros são numerados e transmitidos na ordem correta, existe um caminho físico determinado, ou uma conexão lógica. Ex: WAN (longa distância) com roteadores por linhas privadas ponto-a-ponto. Os quadros são transmitidos para o enlace seguinte, neste enlace os quadros são agrupados em pacotes IP, verificados os seus endereços de destino e então são fragmentados em quadros e enviados através das interfaces de saída em direção ao seu destino. Redes de Computadores I - 16

17 Figura 22 - Roteador e camadas. 5.3 Técnicas de Enquadramento A formação dos quadros é uma das funções do nível de enlace. Consiste em criar e reconhecer os limites dos quadros. Inicialmente marca-se o início e fim do quadro com a técnica de temporização que não é confiável. Basicamente, existem quatro métodos utilizados para a delimitação de quadros: Contagem de caracteres. Bytes de flags com inserção de bytes (byte stuffing). Flags iniciais e finais, com inserção de bits. Violações de codificação da camada física. Esta última se aplica a redes nas quais utilizam decodificação do meio físico que contenha redundância. Ou seja, codificações que emitem dois sinais para a representação de um bit de dados. Por exemplo, algumas LANs codificam 1 bit de dados utilizando dois bits físicos. Normalmente, um bit 1 é um para alto-baixo e um bit 0 é um par baixo-alto. Isto significa que todo o bit de dados possui uma transição intermediária, facilitando os limites pelo receptor. As combinações alto-alto e baixo-baixo NÃO são utilizadas para dados e sim para a delimitação de inicio e fim de quadro em alguns protocolos Contagem de caracteres: número variável de caracteres Figura 23 Enquadramento por contagem de caracteres. Problemas deste tipo de técnica: Caso no meio da transmissão parte do quadro seja perdida por erros de transmissão, interferências por exemplo, o receptor pode perder toda a seqüência do quadro, confundindo os quadros recebidos, pois ele irá considerar que o primeiro byte carrega o tamanho do quadro. Em binário cada quadro armazena até 255 caracteres possíveis /1 Redes de Computadores I - 17

18 Figura 24 Exemplificação de erros que podem ocorrer com esta técnica Bytes de Flag Consiste em inserir um caractere de controle para determinar o início e o final do quadro. Como por exemplo, a inserção de Flags. Um caractere de Flag é composto pela seqüência e é inserido no início e fim de quadro para determinar o formato do quadro. Figura 25 Enquadramento com inserção de bytes de flag. O problema desta técnica é quando são transmitidos caracteres com o mesmo valor dos delimitadores de quadro. Caso ocorra alguma falha no meio de transmissão, poderá acontecer uma situação semelhante a da técnica anterior. Para solucionar este problema foram associadas técnicas de transparência de caracteres ou stuffing, que serão estudadas a seguir Inserção de Bytes de byte stuffing Para que os caracteres delimitadores de quadros e os caracteres de controle não sejam confundidos com os dados carregados pelo quadro, aplica-se a técnica de transparência ou stuffing. Consiste em inserir bytes para determinar quais são os caracteres carregados nos quadros (carga útil). Como por exemplo, aplica-se um caractere ESC antes dos FLAGs e dos ESCs encontrados nos dados que serão carregados em cada quadro. Para transmitir a seguinte seqüência de dados: B FLAG C D ESC Redes de Computadores I - 18

19 Com bytes de flag, sem byte stuffing: Com bytes de flag, com byte stuffing: ESC Desta forma, o sistema consegue diferenciar os caracteres de controle e os caracteres que fazem parte dos dados do quadro. Problema desta técnica: quando o quadro for muito extenso, ou seja composto de muitos bytes, e se ocorrer com freqüência estas seqüências de código no campo de dados, pode gerar um tráfego maior com o aumento dos caracteres transmitidos. Para solucionar este problema, foi desenvolvida a técnica de bit stuffing ou transparência de bits. Esta técnica será estudada a seguir Inserção de Bits de bit stuffing Para diferenciar caracteres de controle de caracteres do campo de dados acrescenta-se um bit 0 a cada seqüência de 5 bits 1 consecutivos no campo de dados dos quadros. Desta forma em um quadro os únicos que terão seqüências de 6 bits 1 consecutivos serão os caracteres de controle. No receptor, a cada 5 bits 1 ele retira o próximo caractere 0, repassando a camada de rede apenas o que foi transmitido sem os bits adicionados para o stuffing. Exemplo: Preciso transmitir o seguinte conjunto de dados: Figura 26 Enquadramento com inserção de bits. Exercícios: 12. Um pacote de uma camada superior está dividido em 10 quadros. Cada quadro tem 80% de chances de chegar sem danos. Se o protocolo de enlace de dados não fizer qualquer controle de erros, quantas vezes em média a mensagem deverá ser enviada para o processo inteiro seja concluído? E = 1 / p 13. A codificação de caracteres a seguir é utilizada em um protocolo de camadas de enlace de dados. A = B = FLAG= ESC = Mostre a seqüência de bits (em binário), após o enquadramento do pacote abaixo em um único quadro: A B ESC FLAG A ESC Quando for utilizado cada um dos métodos a seguir: a) Contagem de caracteres 14. Considere os dados da questão anterior, representando a seqüência em binário, como ficaria quando a ser transmitido após a utilização dos métodos, considere o pacote: A ESC B FLAG a) Bytes de flag com inserção de bytes (caractere de ESC) b) Bytes de flag no inicio e no fim, com inserção de bits c) Contagem de caracteres d) Com inserção de bytes (byte stuffing) Redes de Computadores I - 19

20 15. O fragmento de dados a seguir ocorre no meio de um fluxo de dados para o qual é utilizado bytes de flag com inserção de bytes: FLAG A B ESC ESC C ESC FLAG FLAG FLAG ESC ESC ESC FLAG FLAG Qual será a saída para a camada de rede: quantos quadros foram transmitidos e quais os dados? 16. (Tanembaum) Um de seus colegas assinalou que é um desperdício encerrar cada quadro com um byte de flag e depois iniciar o próximo quadro com um segundo byte de flag. Um único byte de flag também poderia servir e um byte a menos é um byte ganho. Você concorda? Exemplifique. 17. Um string de bits precisa ser transmitida na camada de enlace de dados. Qual será a string transmitida após a inserção de bits? 5.4 Controle de Erros no Enlace Cabe ao nível físico transportar bits do transmissor para o receptor. O controle de erros visa garantir que o que está sendo transmitido, está sendo recebido corretamente. Durante esta transmissão, os bits podem sofrer alterações provocadas por uma série de razões, tais como: ruído eletromagnético, perda de sincronismo entre transmissor e receptor, defeitos nos componentes que implementam os circuitos de transmissão e recepção, etc. É função do nível de enlace detectar e opcionalmente, corrigir os erros que tenham sido originados no meio de transmissão. A redundância é a técnica mais utilizada para a detecção e correção do nível de enlace. Dados são enviados de forma repetitiva para assegurar que o receptor receba o quadro que está sendo transmitido. Quando a redundância é menor apenas indica a detecção de um erros em nível de enlace. Quando maior, permite a correção dos erros. Existem basicamente, dois tipos de erros: Erros isolados: mais fáceis de corrigir porém não são muito freqüentes. Erros em rajada: comuns em meios de transmissão como rádio, ocorrem normalmente em blocos de bits, normalmente fáceis de identificar mas difíceis de corrigir Verificação de Enlace Figura 27 - Esquema para identificação de erros Paridade Simples A paridade simples é a técnica mais simples de detecção de erros, utilizada normalmente para a verificação de erros em nível de transmissão. Também é utilizada associada à modulação QAM (Quadrature Amplitude Modulation) formando a Modulação em Treliça. Funciona da seguinte forma, na paridade PAR, o valor do bit de paridade possuirá valor (0) quando a soma de todos os bits 1, inclusive do bit de paridade for um número par. Caso contrário o bit de paridade será (1). Por definição: 0- sim; 1- não Redes de Computadores I - 20

21 VRC (Vertical Redundancy Check) é a verificação de paridade de cada caractere LRC (Longitudinal Redundancy Check) é a verificação de paridade em um bloco longitudinal (linha) incluindo bit de paridade ao final. Exemplos: Paridade PAR Na Paridade Ímpar, o valor do bit de paridade será de valor (0) quando a soma de todos os bits 1, inclusive do bit de paridade for um número ímpar. Caso contrário, o bit de paridade será (1). Paridade IMPAR: Paridade Bidimensional (combinada VRC + LRC) Divide-se o conjunto de dados em i-linhas e j-colunas. Soma-se a paridade par ou ímpar das linhas e das colunas. O bloco então será transmitido. Ao ser recebido, o bloco será remontado e os bits de paridade de linhas e colunas serão recalculados para as devidas verificação de erros. Exemplo para transmissão: 32 bits Figura 28 Paridade Bidimensional Este método não é eficaz para erros quádruplos, apenas isolados podem ser corrigidos e duplos podem ser verificados. Exercícios: 18. Encontre a paridade bidimensional para as seqüências de bits abaixo: a) matriz 3x8 b) matriz 4x8 Redes de Computadores I - 21

22 5.4.4 CRC (Cyclic Redundancy Check) No CRC um quadro de k bits, é representado por um polinômio em X, de ordem k-1, onde o coeficiente do termo Xi é representado por (i+1 ésimo) bit da seqüência de k-bits. Assim, por exemplo, o quadro seria representado pelo polinômio x7+ x5+x4+1. Código polinomial: X No transmissor o polinômio de ordem k-1 é dividido, em aritmética módulo 2, por um polinômio gerador de ordem n, tendo como resultado um quociente e um resto de ordem n-1. O transmissor gera em sua saída os k bits originais, seguido dos n bits correspondentes ao polinômio obtido como o resto da divisão (chamado de FCS Frame Check Sequence). No receptor, um processo análogo é realizado. De posse dos k primeiros bits recebidos, o receptor realiza a divisão do polinômio correspondente, de ordem de k-1, pelo mesmo polinômio gerador usado no transmissor. O resto desta divisão é comparado com os n últimos bits recebidos no quadro. Se os bits forem iguais, o receptor assume que recebeu os dados sem erros. Caso algum bit seja diferente um erro é detectado. CRC é o método mais eficiente e utilizado, porém existem também o VRC e LRC. Como calcular o CRC? Identificar os bits através do polinômio: x7 + x5 + x3 + x2 + 1 = 1.x7 + 0.x6 + 1.x5 + 0.x4 + 1.x3 + 1.x2 + 0.x1 + 1.x0 = O gerador de CRC utiliza divisão por módulo 2. Considere o polinômio do exemplo acima, considerando que o divisor do polinômio seja x3+x2+1 (em binário: 1101). O número de bits do CRC corresponde ao valor de maior ordem do polinômio do divisor, neste caso: ordem 3. Isto serve para identificar quantos bits deverão ser adicionados ao final do dividendo para efetuar o cálculo do módulo 2. Ao final do cálculo gerador do CRC encontra-se o valor 111. Este valor será adicionado ao final do quadro que será transmitido. Verificação no Receptor: Redes de Computadores I - 22

23 Resto igual a zero, indica que a transmissão não foi corrompida. Exercícios: 19. Uma forma de detectar erros é transmitir dados como um bloco de n linhas e k bits por linha e acrescentar bits de paridade a cada linha e cada coluna. Este esquema detectará todos os erros simples (isolados)? E os duplos? E os triplos? 20. Determine a matriz de paridade bidimensional para transmissão dos conjuntos de dados a seguir: a) tamanho da matriz: 4X4 b) tamanho da matriz: 8X2 c) tamanho da matriz: 4x4 21. Calcule o valor de CRC para os seguintes polinômios: a) X8+x7+x2+1 considere o polinômio gerador igual a x2+x+1 b) X10 +x5+x4+x+1 considere o polinômio gerador igual a x4+x2 22. Se um divisor de CRC é , quantos bits tem o CRC? 23. Pesquise a respeito dos CRCs padronizados nas tecnologias de redes de redes locais e de longa distância. Apresente pelo menos três exemplos diferentes Checksum (Total de verificação) Técnica de verificação de erros com base na redundância, ou seja, com reforço de informações. No transmissor, divide-se o bloco de dados a ser transmitidos em n-bits. Estes segmentos de dados são adicionados através da aritmética de complemento de um. Obtém-se uma soma parcial e faz-se o complemento de um conforme o exemplo abaixo: Exemplo: bloco de dados = Soma Parcial Checksum (complemento) Redes de Computadores I - 23

24 O que será transmitido: No receptor: Soma Parcial Checksum (complemento) Quando o bloco de dados e o checksum não são corrompidos o resultado no retransmissor deve ser uma seqüência de ZEROS. Exemplo: Considerando o bloco de dados: calcule o Checksum! Soma Parcial Checksum (complemento) No receptor: Soma Parcial Checksum (complemento) Correção de Erros ou Correção Antecipada de Erros Erros de transmissão ainda serão presentes por muitos anos nos meios de comunicação. Nos meios digitais são raros, porém a comunicação sem fio apresenta elevadas taxas de erros. Os erros em rajada são muito mais difíceis de serem corrigidos se comparados aos erros isolados. Em canais confiáveis como a fibra ótica, é mais econômico utilizar um código de detecção de erros e simplesmente retransmitir o bloco defeituoso ocasional. Porém, canais de enlaces sem fio que geram muitos erros, é melhor adicionar a cada bloco redundância suficiente para que o receptor seja capaz de descobrir qual era o bloco original, em vez de confiar em uma retransmissão que poderá também conter erros. Definição de um erro: uma transmissão normalmente é composta de m bits de dados e de r bits de redundância ou de verificação, possuindo um tamanho total de transmissão de n (=m+r). Isto é chamado de palavra de código de n bits ou codeword. A distância de hamming é baseada na redundância, acrescentando bits. Um quadro de tamanho n = (m + r) é conhecido como palavra de código (codeword) de n bits; Onde m são os bits de dados e r, bits de redundância ou verificação. Exemplo: n = (m + r) 0111 (Bits de dados) (palavra de código de 6 bits) Caso o número de bits redundantes seja suficientemente grande também é possível a detecção de erros. A partir de duas palavras de código é possível determinar quantos bits apresentam diferenças. A partir de uma operação XOR entre as duas palavras de código é possível determinar quantos bits estão diferentes. O número de bits 1 no resultado da operação indicarão a quantidade de bits diferentes. Este número é chamado de distância de Hamming. Isto significa que, se duas palavras de código estiverem a uma distância de Hamming igual a d, será necessário corrigir d" erros de bits isolados para converter uma na outra. Redes de Computadores I - 24

25 Dadas duas palavras de código é possível determinar quantos bits apresentam diferença. Exemplo, (XOR) (3 bits) No exemplo anterior a distância de Hamming é 3, indica que serão necessárias três correções de bits isolados para converter uma palavra na outra. O número de posições de bits em que uma palavra difere de outra é denominado Código de Hamming. 5.6 Propriedade da distância de Hamming De forma geral quando uma palavra de código chega ao receptor, esta é comparada com uma tabela de possíveis instruções (tabela de descodificação). A distância de hamming é o número de posições de bits em que duas palavras diferem entre si. Código Instrução Abre dreno Fecha dreno Liga motor Desliga motor O transmissor envia a instrução porém devido a interferências no meio o receptor recebe o código O receptor calcula a distância de hamming da informação recebida com todas as possibilidades conhecidas na tabela. Código Código Recebido Instrução = 2 bits Abre dreno = 1 bit Fecha dreno = 3 bits Liga motor = 4 bits Desliga motor Neste exemplo a menor distância é 1 bit. O código originalmente transmitido é o que possui a menor distância de hamming, a instrução será reconhecida neste caso como (fecha dreno). Detecção de erros de n bits é possível quando a distância de Hamming entre os dados e a palavra código é d = n + 1; esta possibilita a detecção de erros duplos. Correção de erros de n bits é possível quando a distância de Hamming entre os dados e a palavra código é d = 2n + 1; esta possibilita a correção de erros simples. Bits de verificação são potências de 2 (1,2,4,8,16, ), são inseridos de modo a indicar onde ocorreu o erro na palavra recebida. Bits de dados são inseridos nas demais posições (3,5,6,7,9,10,..), podem contribuir em diversos bits de verificação. Mensagem de 8 bits, Neste exemplo, as posições de paridade são 1,2,4 e 8, as posições com bit 1 são 12,7,6 e 3. Redes de Computadores I - 25

26 Código de correção, represente o número das posições com bit 1 em binário e encontre a palavra código: (12) 1100 xor (7) 0111 xor (6) 0110 xor (3) 0011 = Recepção sem erros = (12) 1100 xor (8) 1000 xor (7) 0111 xor (6) 0110 xor (4) 0100 xor (3) 0011 xor (2) 0010 = 0000 Recepção com erros = (12) 1100 xor (8) 1000 xor (7) 0111 xor (4) 0100 xor (3) 0011 xor (2) 0010 = 0110 No método de hamming(1950), os bits da palavra código são numerados consecutivamente, iniciando pelo bit 1 à esquerda. Os bits de potência 2 (1,2,4,8,16,32,etc.) são os bits de verificação, os demais são bits de dados. O código de hamming é capaz de corrigir apenas erros simples. Exercícios: 24. Construa o código de Hamming para a seqüência : 25. Calcule o checksum para : Indica o bit que contém erro. 26. O código foi recebido usando o algoritmo de Hamming visto em aula, qual foi o código recebido originalmente? 27. A seqüência chega ao receptor utiliza o algoritmo de Hamming o resultado é Que bit está errado? Qual é o código correto? 5.7 Protocolos de Enlace de Dados PPP Point-to-point protocol, normalmente, utilizado para conectar computadores domésticos à Internet Análise de um Protocolo de Enlace de Dados Simples O controle de enlace pode ser ponto-a-ponto ou multiponto. No caso de ponto-a-ponto, normalmente existe um transmissor, um receptor e um link: mais fácil que um enlace broadcast, pois não existe Controle de Acesso ao Meio, nem há a necessidade de endereçamento MAC explícito. ex., enlace discado, linha ISDN. Entre os protocolos ponto-a-ponto mais populares para camada de enlace, destacam-se: PPP (point-to-point protocol) SLIP(serial line IP) HDLC: High level data link control (A camada de enlace costumava ser considerada de alto nível na pilha de protocolos!) Os requisitos de projeto estão descritos no [RFC 1557], com relação a: Redes de Computadores I - 26

27 Enquadramento de pacote: encapsulamento do datagrama da camada de rede no quadro da camada de enlace, transporta dados da camada de rede de qualquer protocolo de rede (não apenas o IP) ao mesmo temp, possui a capacidade de separar os protocolos na recepção; Transparência de bits: deve transportar qualquer padrão de bits no campo de dados, utiliza bit stuffing ; Detecção de erros, porém não a correção; Gerenciamento da conexão: detecta, e informa falhas do enlace para a camada de rede; Negociação de endereço da camada de rede: os pontos terminais do enlace podem aprender e configurar o endereço de rede de cada outro. HDLC, orientado a bit, permite enquadramento com número quebrado de bytes ex. 30,25bytes. FLAG (8 bits) ADDRESS (8 bits) CONTROL (8 bits) PAYLOAD (>=0 bits) Checksum (16 bits) FLAG (8 bits) Figura 29 Quadro HDLC PPP, orientado a caractere, permite enquadramento apenas com bytes inteiros. o Não há correção nem recuperação de erros; o Não há controle de fluxo; o Aceita entregas fora de ordem (embora seja pouco comum); o Não há necessidade de suportar enlaces multiponto (ex., polling). FLAG (8bits) ADDRESS (8 bits) CONTROL (8 bits) PROTOCOL (1 ou 2 Bytes) PAYLOAD (variável) Figura 30 Quadro PPP CHECKSUM (2 ou 4 Bytes) FLAG (8 bits) Flag: delimitador (enquadramento); Endereço: não tem função (apenas uma opção futura); Controle: não tem função; no futuro é possível ter múltiplos campos de controle; Protocolo: indica o protocolo da camada superior ao qual o conteúdo do quadro deve ser entregue (ex. PPP-LCP, IP, IPCP, etc.) PPP Formato dos dados; Info: dados da camada superior sendo transportados; CRC: verificação de redundância cíclica para detecção de erro Antes de trocar dados da camada de rede, os parceiros da camada de enlace devem configurar o enlace PPP (tamanho máximo do quadro, autenticação), aprender/configurar as informações da camada de rede para o IP: transportar mensagens do Protocolo de Controle IP (IPCP), (campo de protocolo: 8021) para configurar/ aprender os endereços IP. 6. Subcamada de acesso ao meio A subcamada de acesso ao meio trata dos meios ethernet, fastethernet e gigabit ethernet, padrão , comunicação sem fio de banda larga e comutação. As redes utilizam dois modos de conexão, ponto-a-ponto ou canais de difusão. Nos canais de difusão é necessário protocolos para determinar quem terá o direito de uso do meio quando há uma disputa por este. Canais de difusão são conhecidos como canais de multiacesso ou acesso aleatório. Para as redes de que compartilham canais, deve ser considerado quem tem o direito de utilizar o canal, ordenando o acesso ao meio quando há uma disputa pelo mesmo. Os protocolos utilizados para a determinação de acesso aos canais normalmente são chamadas de subcamada de acesso ao meio, ou subcamada MAC (Medium Access Control). Esta subcamada é extremamente importante para a LANs pois há uma intensa disputa pelo direito de transmitir nos meios de comunicação, nas WANs está presente nos enlaces pontoa-ponto de acesso múltiplo, exceto nas redes de satélite; esta camada está presente na parte inferior da camada de enlace e oferece seus serviços a camada superior do modelo de referência (camada 3). Redes de Computadores I - 27