Camadas de Enlace e Rede Local

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1 Camadas de Enlace e Rede Local transparências baseadas no livro Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet James Kurose e Keith Ross

2 Capítulo 5: Camada de Enlace Nossos objetivos: entender os princípios por trás dos serviços da camada de enlace: detecção de erros, correção compartilhando um canal broadcast: acesso múltiplo endereçamento da camada de enlace transferência de dados confiável, controle de fluxo: já visto! instanciação e implementação de várias tecnologias da camada de enlace Visão Geral: serviços da camada de enlace detecção de erros, correção protocolos de acesso múltiplo e LANs endereçamento da camada de enlace, ARP tecnologias específicas da camada de enlace: Ethernet PPP

3 Camada de enlace: definindo o contexto fluxo real de PDUs Roteador R1 protocolo de enlace Roteador R2 Roteador R3 Roteador R3 Roteador R4

4 Camada de enlace: definindo o contexto dois elementos físicos fisicamente conectados: host-roteador, roteador-roteador, host-host unidade de dados: quadro (frame) Hl Ht HnHt HnHt M M M M aplicação transporte rede enlace física protocolo de enlace enlace físico rede enlace física Hl HnHt quadro M placa adaptadora

5 Serviços da Camada de Enlace Enquadramento, acesso ao enlace: encapsula datagramas em quadros, acrescentando cabeçalhos e trailer implementa acesso ao canal se o meio é compartilhado endereços físicos usados nos cabeçalhos dos quadros para identificar a fonte e o destino dos quadros diferente do endereço IP! Entrega confiável entre dois equipamentos fisicamente conectados: já aprendemos como isto deve ser feito (Cam. Transp.)! raramente usado em enlaces com baixa taxa de erro (fibra, alguns tipos de par trançado) enlaces sem-fio (wireless): altas taxas de erro Q: porque prover confiabilidade fim-a-fim e na camada de enlace?

6 Serviços da Camada de Enlace (cont.) Controle de Fluxo: limitação da transmissão entre transmissor e receptor Detecção de Erros: erros causados pela atenuação do sinal e por ruídos. o receptor detecta a presença de erros: avisa o transmissor para reenviar o quadro perdido Correção de Erros: o receptor identifica e corrige o bit com erro(s) sem recorrer à retransmissão

7 Implementação: Camada de Enlace implementado no adaptador ex., placa PCMCIA, placa Ethernet tipicamente inclui: RAM, chips DSP, interface com barramento do host, e interface do enlace Hl Ht HnHt HnHt M M M M aplicação transporte rede enlace física protocolo de enlace enlace físico rede enlace física Hl HnHt quadro M placa adaptadora

8 Implementação de Protocolo da Camada de Enlace Protocolo da camada de enlace é implementado totalmente no adaptador (p.ex., cartão PCMCIA). Adaptador tipicamente inclui: RAM, circuitos de processamento digital de sinais, interface do barramento do computador, e interface do enlace Operações envio do adaptador: encapsula (coloca número de sequência, info de realimentação, etc.), inclui bits de deteção de erros, implementa acesso ao canal para meios compartilhados, coloca no enlace Operações recebe do adaptador : verificação e correção de erros, interrompe computador para enviar quadro para a camada superior, atualiza info de estado a respeito de realimentação para o remetente, número de seqüência, etc.

9 Delimitação de quadros - Solução 1: enviar caracter adicional com tamanho do quadro contadores de caracteres (a) quadro1 (5 car.) quadro2 (5 car.) quadro3 (8 car.) erro contador de caracteres (b) Inconveniente: perda ou deturpação deste caracter

10 Delimitação de quadros - Solução 2: Usar seqüências especiais de caracteres ASCII para delimitar quadro - inicio: - Fim: - DLE (Data Link Escape, ASCII 10H) + STX (Start of Text, ASCII 02H) - DLE + ETX (End of Text, ASCII 03H) - Caso seqüência DLE+ETX contida na parte de dados: emissor adiciona um DLE após cada DLE encontrado e receptor remove => caracter de transparência (a) DLE STX A B DLE C DLE ETX (b) DLE STX A B DLE DLE C DLE ETX

11 Delimitação de quadros - Solução 3: em protocolos orientados a bits, usar seqüência especial de bits para delimitar quadro - Seqüência mais usual: Se esta seqüência estiver presente nos dados: emissor insere um 0 após cada 5 bits 1 consecutivos e receptor remove (bitstuffing) => bit de transparência (a) (b) bit de transparência

12 Detecção de Erros EDC= Bits de Detecção e Correção de Erros (redundancia) D = Dados protegidos pela verificação de erros, pode incluir os campos de cabeçalho A detecção de erros não é 100% confiável! protocolos podem deixar passar alguns erros, mas é raro Quanto maior o campo EDC melhor é a capacidade de detecção e correção de erros

13 Verificação de Paridade Paridade com Bit único: Detecta erro de um único bit Paridade Bi-dimensional: Detecta e corrigeerros de um único bit bit de paridade 0 0 sem erros erro de paridade erro de paridade erro de 1 bit corrigível FEC Forward Error Correction

14 Métodos de Checksum Checksum Internet : Remetente considera dados como compostosde inteirosde 16 bits; soma todososcamposde 16 bits (usando aritmética de complemento de um) e acrescenta a soma ao quadro; o receptor repete a mesma operação e compara o resultado com o checksum enviado com o quadro. Códigos de Redundância Cíclica (Cyclic Redundancy Codes): Dados considerados como a seqüência de coeficientes de um polinômio (D) É escolhido um polinômio Gerador, (G), (=> r+1 bits) Divide-se (módulo 2) o polinômio D*2 r por G. Acrescenta-se o resto (R) a D. Observa-se que, por construção, a nova seqüência <D,R> agora é exatamente divisível por G

15 Verificação de Redundância Cíclica encara os bits de dados, D, como um número binário escolhe um padrão gerador de r+1 bits, G objetivo: escolhe r CRC bits, R, tal que <D,R> é divisível de forma exata por G (módulo 2) receptor conhece G, divide <D,R> por G. Se o resto é diferente de zero: erro detectado! pode detectar todos os erros em seqüência (burst errors) com comprimento menor que r+1 bits largamente usado na prática (ATM, HDCL) bits de dados a enviar padrão de bits fórmula matemática

16 Exemplo de CRC

17 Implementação de CRC (cont) Remetente realiza em tempo real por hardware a divisão da seqüência D pelo polinômio G e acrescenta o resto R a D O receptor divide <D,R> por G; se o resto for diferente de zero, a transmissão teve erro Padrões internacionais de polinômios G de graus 8, 12, 15 e 32 já foram definidos A ARPANET utilizava um CRC de 24 bits no protocolo de enlace de bit alternado ATM utiliza um CRC de 32 bits em AAL5 HDLC utiliza um CRC de 16 bits

18 Protocolos Elementares Protocolo Simplex sem restrições Protocolo Simplex Pare-e-Espere (Stopand-wait) Protocolo Simplex para um canal com ruído

19 Protocolo Simplex sem restrições Transmissão num único sentido O nível de rede está sempre pronto para transmitir e receber O tempo de processamento é ignorado Buffers infinitos Canal de comunicação perfeito

20 Protocolo Simplex sem restrições Transmissor Enlace Receptor

21 Protocolo Simplex Pare-e- Espere (Stop-and-wait) Os buffers não são infinitos O tempo de processamento não é ignorado O transmissor não envia outra mensagem até que a anterior tenha sido aceita como correta pelo receptor Embora o tráfego de dados seja simplex, há fluxo de quadros em ambos os sentidos

22 Protocolo Simplex Pare-e- Espere Transmissor Enlace Receptor

23 Protocolo Simplex para um Canal com Ruído (I) Transmissor Liga timer Enlace X (erro) Receptor Detectado erro. Quadro ignorado Estoura timer Religa timer Desliga timer

24 Protocolo Simplex para um Canal com Ruído (II) Transmissor Liga timer Enlace X (erro) Receptor Estoura timer Religa timer Desliga timer SOLUÇÃO: DUPLICATA! Números de Seqüência

25 Protocolo Simplex para um Canal com Ruído (III) Os quadros são numerados seqüencialmente O tx transmite um quadro O rx envia uma quadro de reconhecimento se o quadro for recebido corretamente, caso contrário, há um descarte e é aguardada uma retransmissão Quadros não reconhecidos são retransmitidos (temporização)

26 Protocolos de Janela Deslizante Transmissão de dados em ambos sentidos Utilizam a técnica de carona (piggybacking) Possui janelas para transmissão e recepção Janela de transmissão números de seqüência habilitados para transmissão Janela de recepção números de seqüência habilitados para recepção Os quadros são mantidos na memória para possível retransmissão

27 Janela Deslizante de tamanho 1 Inicialmente Após a tx do 1o. quadro Após a rx do 1o. quadro Após a rx do 1o. Reconhecimento

28 Protocolos com Pipelining A janela de tamanho 1 compromete a eficiência para longo tempo de trânsito (ida e volta) alta largura de banda comprimento de quadro curto

29 Protocolos com Pipelining Solução: Deixar o transmissor transmitir até w quadros (sem receber o reconhecimento do primeiro) antes de ser bloqueado. Devemos escolher w de modo que o transmissor possa transmitir quadros por um tempo igual ao de trânsito, antes de encher a janela

30 Protocolos com Pipelining O que fazer se um quadro no meio da janela for danificado ou perdido? Abordagens: Volte a n (Go Back n) Retransmissão Seletiva (Selective Reject)

31 Protocolos com Pipelining Volte a n O receptor descarta os quadros seguintes ao errado O transmissor identifica que houve erro, com estouro da temporização sem que tenha recebido um reconhecimento Ineficiente se a taxa de erros for alta Janela de recepção! 1

32 Protocolos com Pipelining Retransmissão seletiva O nó armazena os quadros corretos que chegarem após o com erro. O transmissor retransmite apenas o com erro. Ao receber o quadro que faltava, o nó entrega os diversos quadros já recebidos rapidamente e envia um reconhecimento do quadro de ordem mais alta Janela de recepção! maior que 1 Necessita de maior quantidade de memória no nó

33 Protocolo Volte a n Alternativa: quadro correto fora da seqüência dispara a transmissão de um quadro de NAK antecipando o início da retransmissão dos quadros.

34 Protocolo com Retransmissão Seletiva

35 Exemplo de Protocolo de Enlace HDLC (High-level Data link Control) É uma evolução do protocolo SDLC (Synchronous Data Link Control) desenvolvido pela IBM Padronizado pela ISO O ITU-T modificou o HDLC para o seu LAPB (Link Access Procedure Balanced) utilizado no X.25

36 Formato do Quadro para Protocolos Orientados a Bits Flags Endereço: usado para identificar terminais em canais multiponto ou para distinguir comandos de respostas. CRC-CCITT Dados: de comprimento variável. Controle: inclui nos. de seqüência, reconhecimentos, etc.

37 Campo de Controle Quadro de Informação: Quadro de Supervisão: Quadro Não Numerado:

38 Quadros de Supervisão Tipo 0: quadro de reconhecimento positivo (RR - Receive Ready) Tipo 1: quadro de reconhecimento negativo (REJ - REJect) Tipo 2: quadro de reconhecimento (RNR - Receive Not Ready) Tipo 3: quadro de rejeição seletiva (SREJ - Selective Reject)

39 Quadros Não Numerados DISC (DISConnect) SNRM (Set Normal Response Mode) SABM (Set Asynchronous Balanced Mode) FRMR (FRaMe Reject) UA (Unnumbered Acknowledgment)

40 Subcamada de Acesso ao Meio Controle de acesso a um meio físico compartilhado entre múltiplas estações

41 Enlaces e Protocolos de Múltiplo Acesso Três tipos de enlace: (a) Ponto-a-ponto (um cabo único) (b) Difusão (cabo ou meio compartilhado; p.ex., Ethernet, rádio, etc.) (c) Comutado (p.ex., E-net comutada, ATM, etc) Começamos com enlaces com Difusão. Desafio proncipal: Protocolo de Múltiplo Acesso

42 Protocolos para Meios de Múltiplo Acesso canal de comunicação único e compartilhado duas ou mais transmissões pelos nós: interferência apenas um nó pode transmitir com sucesso num dado instante de tempo protocolo de múltiplo acesso: algoritmo distribuído que determina como as estações compartilham o canal, isto é, determinam quando cada estação pode transmitir comunicação sobre o compartilhamento do canal deve utilizar o própro canal!

43 Protocolos de Controle de Acesso ao Meio (MAC) Protocolo MAC: coordena transmissões de estações diferentes a fim de minimizar/evitar colisões. Tem 3 classes: (a) Particionamento do Canal (b) Acesso Randômico (c) Revezamento Meta: ser eficiente, justo, simples, descentralizado

44 Protocolos de Particionamento do Canal TDM (Multiplexação por Divisão de Tempo): canal dividido em N intervalos de tempo ( slots ), um para cada usuário; ineficiente com usuários de pouco demanda ou quando carga for baixa. FDM (Multiplexação por Divisão de Freqüência): freqüência subdividida. CDMA (Múltiplo Acesso por Divisão por Código): explora esquema de codificação de espectro espalhado

45 Protocolos MAC com Particionamento de Canal: TDMA TDMA: acesso múltiplo por divisão temporal acesso ao canal é feito por turnos" cada estação controla um compartimento ( slot ) de tamanho fixo (tamanho = tempo de transmissão de pacote) em cada turno compartimentos não usados são disperdiçados exemplo: rede local com 6 estações: 1,3,4 têm pacotes, compartimentos 2,5,6 ficam vazios

46 Protocolos MAC com Particionamento de Canal: FDMA FDMA: acesso múltiplo por divisão de freqüência o espectro do canal é dividido em bandas de freqüência cada estação recebe uma banda de freqüência tempo de transmissão não usado nas bandas de freqüência é desperdiçado exemplo: rede local com 6 estações: 1,3,4 têm pacotes, as bandas de freqüência 2,5,6 ficam vazias bandas de freqüência tempo

47 Particionamento do Canal com CDMA CDMA (Múltiplo Acesso por Divisão por Código): explora esquema de codificação de espectro espalhado -DS(Direct Sequence) ou FH (Frequency Hopping) código único associado a cada canal; ié, partitionamento do conjunto de códigos Mais usado em canais de radiodifusão (celular, satélite, etc) Todosusuárioscompartilhama mesma freqüência, mas cada canal tem sua própria seqüência de chipping (ié, código) Seqüência de chipping funciona como máscara: usado para encodificar o sinal sinal encodificado = (sinal original) X (seqüência de chipping) decodificação: produto interno do sinal encodificado e a seqüência de chipping (observa-se que o produto interno é a soma dos produtos componente-por-componente) Para fazer CDMA funcionar, as seqüências de chipping devem ser mutuamente ortogonais entre si (i.é., produto interno = 0)

48 Protocolos de Acesso Aleatório Quandoonótem umpacoteaenviar: transmitecomtodaataxado canal R. não há uma regra de coordenação a priori entre os nós dois ou mais nós transmitindo -> colisão, Protocolo MAC de acesso aleatório especifica: como detectar colisões como as estações se recuperam das colisões (ex., via retransmissões atrasadas) Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório: slotted ALOHA ALOHA CSMA e CSMA/CD

49 Slotted Aloha tempo é dividido em compartimentos de tamanho igual (= tempo de transmissão de um pacote) nó com pacote pronto: transmite no início do próximo compartimento se houver colisão: retransmite o pacote nos futuros compartimentos com probabilidade p, até que consiga enviar. Compartimentos: Sucesso (S), Colisão (C), Vazio (E)

50 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) CSMA: escuta antes de transmitir. Se deteta que o canal está sendo usado, adia transmissão. CSMA persistente: tenta novamente assim que se tornar ocioso o canal (isto pode provocar instabilidade) CSMA não persistente: tenta novamente depois de intervalo randômico Note: colisões ainda podem ocorrer, pois duas estações podem detetar o canal ocioso ao mesmo tempo (ou, melhor, dentro de uma janela de vulnerabilidade = retardo ida e volta entre as duas estações envolvidas) No caso de colisão, é desperdiçado todo o tempo de transmissão do pacote Analogia humana: não interrompa os outros!

51 CSMA/CD (Detecção de Colisão) CSMA/CD: detecção de portadora, diferimento como no CSMA colisões detectadas num tempo mais curto transmissões com colisões são interrompidas, reduzindo o desperdício do canal retransmissões persistentes ou não-persistentes detecção de colisão: fácil em LANs cabeadas: medição da intensidade do sinal, comparação dos sinais transmitidos e recebidos difícil em LANs sem fio: receptor desligado enquanto transmitindo analogia humana: o bom-de-papo educado

52 CSMA/CD (Deteção de Colisões) CSMA/CD: escuta do meio e adiamento como em CSMA. Entretanto, colisões detetadas rapidamente, em poucos intervalos de bit. Transmissão é então abortada, reduzindo consideravelmente o desperdício do canal. Tipicamente, é implementada retransmissão persistente Deteção de colisões é fácil em rede locais usando cabo (p.ex., E-net): pode-se medir a intensidade do sinal na linha, detetar violações do código, ou comparar sinais Tx e Rx Deteção de colisões não pode ser realizada em redes locais de rádio (o receptor é desligado durante transmissão, para evitar danificá-lo com excesso de potência) CSMA/CD pode conseguir utilização do canal perto de 100% em redes locais (se tiver baixa razão de tempo de propagação para tempo de transmissão do pacote) Analogia humana: o bom-de-papo educado

53 Protocolos MAC com Passagem de Permissão Protocolos MAC com particionamento de canais: compartilham o canal eficientemente quando a carga é alta e bem distribuída ineficiente nas cargas baixas: atraso no acesso ao canal. A estação consegue uma banda de 1/N da capacidade do canal, mesmo que haja apenas 1 nó ativo! Protocolos MAC de acesso aleatório eficiente nas cargas baixas: um único nó pode usar todo o canal cargas altas: excesso de colisões Protocolos de passagem de permissão buscam o melhor dos dois mundos! " Determinismo

54 Protocolos MAC com Passagem de Permissão Polling: nó mestre convida os escravos a transmitirem um de cada vez Mensagens Request to Send e Clear to Send problemas: polling overhead latência ponto único de falha (mestre) Token passing: controla um token passado de um nó a outro sequencialmente. mensagem token problemas: token overhead latência ponto único de falha (token)

55 Sumário de protocolos MAC O que se pode fazer com um meio compartilhado? Particionamento do canal, por tempo, freqüência ou código TDMA, FDMA, CDMA, WDMA (wave division) Particionamento randômico (dinâmico), ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD Revezamento polling de um nó central, passagem de ficha de permissão Para satélites, é difícil detetar se o canal está ocupado (se o canal está transportando um sinal): ALOHA Em rede locais, deteção do portador é mais fácil, (mas não é perfeita): CSMA Melhor se existe Deteção de Colisões (CSMA/CD) (Ethernet) é CSMA/CD

56 Tecnologias de Rede Local Protocolos MAC usados em redes locais, para controlar acesso ao canal Anéis de fichas: IEEE (Token Ring da IBM), para sala de computação, ou rede departamental, até 16Mbps; FDDI (Fiber Distributed Data Interface), para rede de Campus ou Metropolitana, até 200 estações, em 100Mbps. Ethernet: emprega o protocolo CSMA/CD; 10Mbps (IEEE 802.3), Fast E-net (100Mbps), 56Gigabit E-net (1,000 Mbps); de longe a tecnologia mais popular de rede local

57 Endereços de LAN e ARP Endereços IP de 32-bit: endereços da camada de rede usados para levar o datagrama até a rede de destino (lembre da definição de rede IP) Endereço de LAN (ou MAC ou físico): usado para levar o datagrama de uma interface física a outra fisicamente conectada com a primeira (isto é, na mesma rede) Endereços MAC com 48 bits (na maioria das LANs) gravado na memória fixa (ROM) do adaptador de rede

58 Endereços de LAN e ARP Cada adaptador numa LAN tem um único endereço de LAN

59 Endereços de LAN (mais) A alocação de endereços MAC é administrada pelo IEEE Ofabricante compra porçõesdoespaçodeendereçomac (para assegurar a unicidade) Analogia: (a) endereço MAC: semelhante ao número do CPF (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

60 ARP: Address Resolution Protocol (Protocolo de Resolução de Endereços) Questão: como determinar o endereço MAC de B dado o endereço IP de B? Cada nó IP (Host, Roteador) numa LAN tem um módulo e uma tabela ARP Tabela ARP: mapeamento de endereços IP/MAC para alguns nós da LAN < endereço IP; endereço MAC; TTL> <.. > TTL (Time To Live): tempo depois do qual o mapeamento de endereços será esquecido (tipicamente 20 min)

61 Protocolo ARP A conhece o endereço IP de B, quer aprender o endereço físico de B Aenvia em broadcast um pacote ARP de consulta contendo o endereço IP de B todas as máquinas na LAN recebem a consulta ARP B recebe o pacote ARP, responde a A com o seu (de B) endereço de camada física A armazena os pares de endereço IP-físico até que a informação se torne obsoleta (esgota a temporização) soft state: informação que desaparece com o tempo se não for re-atualizada

62 Roteando um pacote para outra rede local Por exemplo, rotear pacote do endereço IP de origem < > ao endereço de destino < > Na tabela de rotas na origem, encontra roteador Na tabela ARP na origem, tira endereço MAC E6-E BB-4B, etc