Sub-camada de Acesso ao Meio

Transcrição

1 Redes de Computadores Antonio Alfredo Ferreira Loureiro Departamento de Ciência da Computação Universidade Federal de Minas Gerais Sub-camada de Acesso ao Meio Contexto Contexto Protocolos para Canais difusão, ou Canais de acesso múltiplo, ou Canais de acesso aleatório Problema básico a ser resolvido: Como gerenciar'' o acesso a canais difusão Protocolos responsáveis por fazer esse gerenciamento: Protocolos de acesso ao meio, ou Medium Access Protocol (MAC) Sub-camada MAC está presente em quase todas as LANs Importante seu estudo

2 Problema de alocação de canal Alocação estática de canal Problema: Como alocar um único canal difusão entre vários usuários? Duas classes de algoritmos: Alocação estática Alocação dinâmica FDM é a forma tradicional quando: Existe um número pequeno e fixo de usuários Cada um possui um tráfego pesado Outro cenário: Grande número de estações Esse número varia ao longo do tempo Tráfego é em rajadas Alocação estática de canal Normalmente, FDM não é a solução: Sub-canais ficam ociosos quando não há nada a transmitir Em sistemas de computação, o tráfego é tipicamente em rajadas Estações: Alocação dinâmica de canal Premissas Existem N estações independentes que geram quadros a serem transmitidos A estação fica bloqueada até o quadro ser totalmente transmitido

3 Alocação dinâmica de canal Premissas Único canal de comunicação: Todas estações compartilham um único canal de comunicação para transmissão e recepção Do ponto de vista de hardware, as estações são equivalentes Do ponto de vista de software, as estações podem ter prioridades Aspecto fundamental do estudo Colisões: Alocação dinâmica de canal Premissas A transmissão simultânea de dois ou mais quadros por estações diferentes causa uma colisão Estações são capazes de detectar colisões Quadros envolvidos em colisões devem ser transmitidos mais tarde Alocação dinâmica de canal Premissas Política de transmissão de quadros ao longo do tempo: Qualquer instante (continuous time) Instantes pré-determinados (slotted time) Alocação dinâmica de canal Premissas Detecção de portadora para transmissão de quadro: Com detecção (carrier sense) Sem detecção (no carrier sense) Sistema de contenção: Sistema no qual vários usuários compartilham um canal comum de tal forma que pode levar a conflitos

4 Protocolos CSMA Protocolos CSMA 1-persistent Protocolos CSMA (Carrier Sense Multiple Access): protocolos de acesso múltiplo com detecção de portadora Três tipos básicos: 1-persistent Não persistente (nonpersistent) p-persistent Princípio do 1-persistent: Uma estação ao desejar transmitir escuta o canal Se estiver ocupado espera até ficar livre Transmite o quadro quando o canal fica livre Se ocorre uma colisão, a estação espera um tempo aleatório e começa o processo todo novamente Protocolos CSMA 1-persistent Protocolos CSMA não persistentes Échamado 1-persistent porque sempre transmite ao verificar que o canal está desocupado, ou seja, A probabilidade de transmitir ao encontrar o canal livre é 1 O tempo de propagação tem um efeito importante no desempenho do protocolo Similar ao 1-persistent Diferença: Ao verificar que o canal está ocupado espera um período de tempo aleatório e começa o processo novamente Método menos guloso que tem um desempenho melhor que o 1-persistent

5 Protocolos CSMA p-persistent Protocolos CSMA p-persistent É usado em canais com slots Princípio do p-persistent: Estação escuta o canal Se livre, transmite com probabilidade p Senão, espera até o próximo slot (P=1 p) Repete o processo novamente Se ocorre colisão, a estação espera um tempo aleatório e repete o processo Protocolos CSMA/CD Protocolos CSMA/CD CD: Collision Detection Melhoria introduzida: Uma estação ao detectar colisão pára de transmitir imediatamente o quadro Economiza tempo e BW CSMA/CD consiste em alternar períodos de contenção e transmissão

6 Protocolos CSMA/CD Protocolos CSMA/CD Questão importante: Quanto tempo uma estação deve esperar para saber se houve uma colisão ou não? Duas vezes o tempo de propagação no cabo de ponta-aponta Conclusão importante: Uma colisão não ocorre após esse período de tempo Colisões afetam o desempenho do sistema principalmente em cabos longos e quadros curtos Foi padronizado como IEEE (Ethernet) Padrão IEEE 802 para LANs e MANs Padrão IEEE 802 para LANs e MANs IEEE 802: Conjunto de normas para LANs e MANs Padrão adotado pelas seguintes organizações: ANSI, NIST e ISO é dividido em partes que são publicados como livros separadamente IEEE Apresenta uma introdução ao conjunto de padrões e primitivas de interface IEEE 802.2: Logical Link Control Descreve a parte superior da camada de interface e primitivas de interface Três padrões importantes para redes locais: IEEE 802.3: CSMA/CD IEEE 802.4: Rede em barramento IEEE 802.5: Rede em anel

7 IEEE 802.3: Funcionamento IEEE Estação escuta o canal antes de transmitir Se estiver ocupado espera até ficar livre Transmite o quadro se o canal estiver livre Se ocorre uma colisão, a estação espera um tempo aleatório e começa o processo todo novamente Baseado no padrão Ethernet de 10 Mbps proposto pela Xerox, DEC e Intel Padrão define uma família de redes CSMA/CD 1-persistent com velocidades de 1, 10, 100, 1000, Mbps em diferentes meios IEEE 802.3: Cabeamento IEEE 802.3: Cabeamento 10Base5 Thick Ethernet Cabo lembra uma mangueira amarela de jardim com marcas a cada 2.5 metros Conexões feitas normalmente com conectores vampiros (vampire taps) 10Base5: 10 Mbps, sinalização baseband e segmentos de até 500 metros

8 IEEE 802.3: Cabeamento IEEE 802.3: Cabeamento 10Base2 Thin Ethernet Usa conectores BNC que formam junções T Padrão mais fácil e mais barato Problema do padrão 10Base{2,5}: Detecção de cabos quebrados e conectores com problemas ou frouxos IEEE 802.3: Cabeamento IEEE 802.3: Cabeamento Solução para detectar o problema: Injeta-se no cabo um pulso de forma conhecida Pulso é refletido ao encontrar um obstáculo ou chegar ao fim do cabo Medindo o tempo de propagação e eco é possível localizar o problema Técnica conhecida como time domain reflectometry 10Base-T Solução para o problema do padrão 10Base{2,5} Estações se conectam a um par trançado que é ligado a um hub central Padrão popular

9 IEEE 802.3: Cabeamento IEEE 802.3: Cabeamento 10Base-F Usa fibra ótica Possui excelente imunidade a ruído Alternativa quando é necessário fazer ligações entre edifícios ou hubs distantes IEEE 802.3: Codificação Manchester Baseado em métodos que não fazem referência a um clock externo Cada período de transmissão de um bit é dividido em dois intervalos idênticos Princípio: sempre ocorre uma transição entre os intervalos Requer o dobro de BW comparado com codificação direta em binário IEEE 802.3: Codificação Manchester Codificação Manchester: Formato fixo Codificação Manchester Diferencial: Bit 0: transição no início de um bit Bit 1: não há transição

10 IEEE 802.3: Codificação Manchester IEEE 802.3: Quadro Protocolo IEEE Protocolo IEEE Preâmbulo ( ) usado para sincronização entre RX e TX Início de quadro: Endereço: bit 47 = 0: para outra estação bit 47 = 1: multicast todos bits = 1: broadcast bit 46 = endereço local ou global Endereço: Camada de rede responsável por localizar estação no caso endereço global Comprimento do campo de dados 1500 bytes

11 Protocolo IEEE Protocolo IEEE Pad: Campo de dados deve ser 46 Caso contrário, pad = 46 esse valor Prevenir que uma estação termine de transmitir um quadro antes do primeiro bit chegar no extremo do cabo e ocorra uma colisão Protocolo IEEE Por que 64 bytes? Para uma rede a 10 Mbps, comprimento máximo de 2500 metros, e quatro repetidores Tempo mínimo de transmissão = 51 μs Tamanho mínimo do quadro = 64 bytes Protocolo IEEE 802.3: Algoritmo de espera Ao ocorrer uma colisão, as estações devem esperar (sortear) um intervalo de tempo de espera Modelo: Tempo é dividido em intervalos (slots) = 51.2 μs Algoritmo (binary exponential backoff)

12 Slots de espera: Protocolo IEEE 802.3: Algoritmo de espera Número inteiro no intervalo [0.. 2 c 1], onde c é o número de colisões consecutivas Para c de 10 a 16 o n o max de slots é 1023 Valor max de c é 16, quando a tentativa de transmitir é encerrada Protocolo IEEE 802.3: Algoritmo de espera Ausência de colisão não garante recepção correta Pode ocorrer erro de checksum CSMA/CD não provê confirmação Forma simples e rápida de permitir confirmação: Reservar o primeiro slot, após uma transmissão com sucesso, para o destinatário Desempenho do padrão Observações sobre o desempenho do padrão Muito estudo analítico foi feito considerando que o tráfego segue uma distribuição de Poisson Tráfego real é auto-similar (self-similar)

13 Observações sobre o desempenho do padrão Auto-similaridade significa, por exemplo, que: Variância do número médio de pacotes transmitidos em cada minuto de uma hora é similar ao número médio de pacotes transmitidos em cada segundo de um minuto LANs comutadas Solução quando o tráfego cresce a um ponto que a rede satura Comutador (switch) típico: Backplane de alta velocidade (> 1 Gbps) 4 a 32 cartões de linha Cada cartão com 1 a 8 conectores Conexão 10Base-T LANs comutadas LAN comutadas: Transmissão Algoritmo: Estação transmite o quadro para o switch HW da placa de rede verifica se o quadro é para alguma estação conectada a placa Se for, transmite o quadro na linha correspondente Caso contrário, é enviado para a placa de rede da estação destino através do backplane

14 LAN comutadas: Transmissão LAN comutadas: Transmissão Colisão depende da implementação do comutador: Todas as linhas de uma placa de rede estão conectadas entre si formando uma LAN Cada placa forma sua própria rede CSMA/CD As redes podem transmitir em paralelo definindo um domínio de colisão independente Colisão depende da implementação do comutador: Cada porto possui um buffer para armazenar quadros Quadros podem ser transmitidos e recebidos ao mesmo tempo permitindo operação em paralelo e full-duplex Cada porto é um domínio de colisão independente Características do padrão IEEE Possui um comportamento não determinístico o que faz com que o pior caso não seja conhecido a priori Na prática depende de como o padrão é implementado Quadros não possuem prioridades Não é adequado para aplicações de tempo real como o padrão foi proposto Na prática depende de como o padrão é implementado Evolução do padrão IEEE u: Fast Ethernet (100 Mbps) 802.3z: Gigabit Ethernet (1 Gbps) 802.3az: Multigigabit Ethernet (10 Gbps)

15 IEEE IEEE Objetivos do padrão 802.4: Ter uma rede com comportamento determinístico Anel lógico A topologia ser apropriada para ambientes industriais Barramento O padrão é conhecido como Token Bus IEEE IEEE Propostas de redes em anel foram feitas tanto para LANs quanto WANs O anel não é um meio tipo difusão mas uma coleção de enlaces ponto-a-ponto que formam um círculo Tecnologia de enlaces ponto-a-ponto é bem dominada do ponto de vista do protocolo e do meio de comunicação A tecnologia empregada é basicamente digital É possível garantir um tempo máximo de acesso ao anel Token ring: padrão proposto pela IBM e padronizado pelo IEEE como 802.5

16 IEEE IEEE Cada bit ao chegar na interface é copiado num buffer É inspecionado e enviado para o anel Este processo introduz um atraso de um bit em cada interface IEEE IEEE Token circula no anel Para transmitir, a estação deve retirar o token do anel Isso é feito invertendo um único bit do token que possui três bytes O token se transforma nos três primeiros bytes de um quadro de dados Só existe um token Somente uma estação pode transmitir Questões importantes no projeto do anel: Atraso deve ser suficiente para conter todo o token quando não houver nenhuma estação transmitindo Energização da interface de comunicação Atraso tem dois componentes: 1 bit introduzido por cada estação propagação do sinal

17 IEEE IEEE Modos de operação da interface em um anel: Escuta: bits de entrada são copiados para a saída introduzindo um bit de atraso Transmissão: interface quebra a conexão entre entrada e saída depois de adquirir o token Interface precisa de buffers para armazenar quadros quando passa de escuta para transmissão Remoção de bits do anel é feita pela estação que transmite Pode ser feita uma comparação entre os bits enviados e removidos IEEE IEEE A arquitetura em anel não impõe um tamanho máximo ao quadro A estação que transmite deve regerar o token Ao terminar de transmitir, a estação passa para o estado de escuta imediatamente A confirmação pode ser feita na carona com um bit No caso de difusão de mensagem, é necessário um mecanismo mais sofisticado A arquitetura em anel suporta bem a variação de carga na rede

18 IEEE Protocolo IEEE Operação básica: Token circula no anel se não há tráfego IEEE LLC IEEE LLC Logical Link Control Padrões 802.{3,4,5,6} não oferecem uma comunicação confiável Para alguns protocolos (e.g., IP) este tipo de serviço é suficiente Padrão IEEE 802.2: Provê um serviço de enlace com controle de erro e controle de fluxo Esconde as diferenças entre os diversos protocolos definidos pelos padrões 802 Oferece um único formato e interface para a camada de rede

19 IEEE LLC IEEE LLC Provê três tipos de serviços: Datagrama não confiável Datagrama confirmado Orientado a conexão confiável Cabeçalho do LLC é baseado no HDLC Diferentes formatos de quadros de dados e controle são usados dependendo do tipo de serviço usado Pontes (Bridges) Situações onde pontes são usadas Função: Conectar várias LANs Pontes operam na camada de enlace Não examinam pacotes da camada de rede Interconexão entre LANs de departamentos de uma corporação ou universidade que foram projetadas independentemente Interconexão entre LANs de uma organização que estão espalhada em vários prédios e não se deseja passar um cabo por todos os prédios

20 Situações onde pontes são usadas Situações onde pontes são usadas Interconexão entre LANs de uma organização que foram divididas de uma LAN maior por questões de carga, desempenho, etc. Situações onde pontes são usadas Exemplo de uma ponte Interconexão entre segmentos de uma LAN onde a distância entre estações é muito grande Funcionar como um dispositivo de proteção em pontos críticos de uma LAN oferecendo um nível de confiabilidade maior para toda a rede Funcionar como um mecanismo de segurança na rede filtrando tráfego sensitivo entre estações

21 Interconexão de LANs e pontes IEEE produziu três padrões de LANs incompatíveis Mais tarde produziu dois padrões de pontes incompatíveis para interconexão de LANs e pontes: Ponte transparente (transparent bridge) Ponte com roteamento da origem (source routing bridge)