Comunicação de Dados

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1 UNISUL 2013 / 1 Universidade do Sul de Santa Catarina Engenharia Elétrica - Telemática 1 Comunicação de Dados Aula 10

2 Agenda Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) Protocolos livres de colisão Protocolos de disputa limitada Protocolos de LANs sem fio Outros protocolos 2

3 Subcamada de controle de acesso ao meio 3 Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) Com o slotted ALOHA, a melhor utilização do canal que é possível conseguir é ~36% Isso não surpreende porque, com as estações transmitindo à vontade, sem prestarem atenção ao que as outras estações estão fazendo, é provável que ocorram muitas colisões Porém, em LANs as estações podem detectar o que outras estão fazendo e adaptarem seu comportamento de acordo com essa situação Essas redes podem atingir uma utilização melhor Os protocolos nos quais as estações escutam uma portadora i.e., uma transmissão, e funcionam de acordo com ela são denominados protocolos com detecção de portadora (carrier sense protocols)

4 Subcamada de controle de acesso ao meio 4 Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) CSMA persistente e não persistente O primeiro dos protocolos com detecção de portadora apresentados aqui denomina-se CSMA 1-persistente 1. Quando uma estação tem dados a transmitir, ela primeiro escuta o canal para ver se mais alguém está transmitindo no momento 2. Se o canal estiver ocupado, a estação esperará até que ele fique ocioso 3. Quando detectar um canal desocupado, a estação transmitirá um quadro 4. Se ocorrer uma colisão, a estação esperará um intervalo de tempo aleatório e começará tudo de novo Esse protocolo é denominado 1-persistente, porque a estação transmite com probabilidade 1 sempre que encontra o canal desocupado

5 Subcamada de controle de acesso ao meio 5 Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) CSMA persistente e não persistente O retardo de propagação tem um efeito importante sobre o desempenho do protocolo Há poucas chances de, logo após uma estação começar a transmitir, outra estação fique pronta para transmitir e escutar o canal Se o sinal da primeira estação ainda não tiver atingido à segunda, esta detectará um canal desocupado e também começará a transmitir, resultando em uma colisão Quanto maior for o retardo de propagação, maior será a importância desse efeito e pior será o desempenho do protocolo

6 Subcamada de controle de acesso ao meio 6 Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) CSMA persistente e não persistente Mesmo que o retardo de propagação seja zero, ainda assim haverá colisões Se duas estações ficarem prontas durante a transmissão de uma terceira, ambas terão de esperar até que a transmissão se encerre, e depois as duas começarão a transmitir ao mesmo tempo, resultando em uma colisão Se elas não fossem tão impacientes, haveria menos colisões Mesmo assim, esse protocolo é bem melhor que o ALOHA puro, pois ambas as estações respeitam a transmissão e desistem de interferir em um quadro de uma terceira estação Intuitivamente, esse procedimento leva a um desempenho superior ao do ALOHA puro O mesmo se aplica ao slotted ALOHA

7 Subcamada de controle de acesso ao meio 7 Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) CSMA persistente e não persistente Um segundo protocolo com detecção de portadora é o CSMA não persistente Nesse protocolo, é feita uma tentativa consciente de ser menos ávido que no protocolo anterior 1. Antes de transmitir, a estação escuta o canal 2. Se ninguém mais estiver transmitindo, a estação iniciará a transmissão 3. Se o canal já estiver sendo utilizado, a estação não permanecerá escutando continuamente a fim de se apoderar de imediato do canal após detectar o fim da transmissão anterior 4. Em vez disso, a estação aguardará durante um intervalo de tempo aleatório e, em seguida, repetirá o algoritmo Esse algoritmo leva a uma melhor utilização do canal, e a retardos maiores do que no CSMA 1-persistente

8 Subcamada de controle de acesso ao meio 8 Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) CSMA persistente e não persistente O último protocolo é o CSMA p-persistente Ele se aplica a canais segmentados (slotted channels) 1. Quando está pronta para transmitir, a estação escuta o canal 2. Se ele estiver desocupado, a estação transmitirá com uma probabilidade p 3. Caso a estação decida por não transmitir (q=1-p), ocorre um adiamento até o próximo slot 4. Esse processo se repete até o quadro ser transmitido ou até que outra estação tenha iniciado uma transmissão Se inicialmente detectar que o canal está ocupado, a estação esperará pelo próximo slot e aplicará o algoritmo

9 Subcamada de controle de acesso ao meio 9 Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) CSMA com detecção de colisão (CD) Os protocolos CSMA persistentes e não persistentes são claramente um avanço em relação ao ALOHA, pois garantem que nenhuma estação começará a transmitir quando perceber que o canal está ocupado Outro avanço consiste no fato de as estações cancelarem suas transmissões logo que detectam uma colisão Em outras palavras, se duas estações perceberem que o canal está desocupado e começarem a transmitir simultaneamente, ambas detectarão a colisão quase de imediato

10 Subcamada de controle de acesso ao meio 10 Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) CSMA com detecção de colisão (CD) Em vez de terminar de transmitir seus quadros (que de qualquer forma já estarão irremediavelmente adulterados) elas devem interromper a transmissão de forma abrupta tão logo a colisão for detectada A interrupção rápida dos quadros com erros economiza tempo e largura de banda Esse protocolo, conhecido como CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), é amplamente usado na sub-camada MAC de LANs Em particular, ele é a base da conhecida LAN Ethernet

11 Subcamada de controle de acesso ao meio 11 Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) CSMA com detecção de colisão (CD) Estados de um canal CSMA/CD Disputa, transmissão e inatividade

12 Subcamada de controle de acesso ao meio 12 Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) CSMA com detecção de colisão (CD) É importante entender que a detecção de colisões consiste em um processo analógico O hardware da estação deve escutar o cabo durante a transmissão Se o que ler for diferente do que está transmitindo, a estação saberá que está ocorrendo uma colisão A implicação é que a codificação do sinal deve permitir que colisões sejam detectadas Por exemplo, talvez seja impossível detectar uma colisão de dois sinais de 0 volts Por essa razão, normalmente é utilizada uma codificação especial

13 Subcamada de controle de acesso ao meio 13 Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) CSMA com detecção de colisão (CD) Também vale a pena notar que uma estação transmissora deve monitorar continuamente o canal, em busca de rajadas de ruído que possam indicar uma colisão Por essa razão, o CSMA/CD com um único canal é inerentemente um sistema half-duplex É impossível uma estação transmitir e receber quadros ao mesmo tempo, porque a lógica de recepção está em uso, procurando por colisões durante cada transmissão

14 Agenda Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) Protocolos livres de colisão Protocolos de disputa limitada Protocolos de LANs sem fio Outros protocolos 14

15 Subcamada de controle de acesso ao meio 15 Protocolos livres de colisão Embora as colisões não ocorram com o CSMA/CD depois que uma estação captura sem ambiguidade o canal, elas ainda podem ocorrer durante o período de disputa Essas colisões afetam de modo adverso o desempenho do sistema, em especial quando o cabo é longo e os quadros são curtos Além disso, o CSMA/CD não é aplicável de maneira universal

16 Subcamada de controle de acesso ao meio 16 Protocolos livres de colisão Um protocolo de mapa de bits No primeiro protocolo livre de colisão, o método básico de mapa de bits, cada período de disputa consiste exatamente em N slots Se tiver um quadro para transmitir, a estação 0 enviará um bit 1 durante o slot número zero Nenhuma outra estação poderá transmitir durante esse slot Independente do que a estação 0 fizer, a estação 1 tem a oportunidade de transmitir um bit 1 durante o slot 1, mas apenas se tiver um quadro na fila para ser enviado Em geral, é possível que a estação j informe que tem um quadro para transmitir inserindo um bit 1 no slot j

17 Subcamada de controle de acesso ao meio 17 Protocolos livres de colisão Um protocolo de mapa de bits Depois que todos os N slots tiverem passado, cada estação terá total conhecimento de quais estações desejam transmitir Nesse ponto, elas começam a transmitir em ordem numérica

18 Subcamada de controle de acesso ao meio 18 Protocolos livres de colisão Um protocolo de mapa de bits Como todas as estações concordam sobre quem será a próxima a transmitir, nunca haverá colisões Após a última estação pronta ter transmitido seu quadro, um evento que todas as estações podem monitorar com facilidade, inicia-se outro período de disputa de N bits Se uma estação ficar pronta logo após seu slot de bits ter passado, ela não conseguirá transmitir e precisará permanecer inativa até que todas as outras estações tenham tido a chance de transmitir e o mapa de bits tenha voltado a passar por ela Protocolos como esse, nos quais o desejo de transmitir é difundido antes de ocorrer a transmissão real, são chamados protocolos de reserva

19 Subcamada de controle de acesso ao meio 19 Protocolos livres de colisão Contagem regressiva binária Um problema com o protocolo básico de mapa de bits é que o overhead é de 1 bit por estação, e portanto ele não se adapta muito bem a redes com milhares de estações Podemos fazer melhor que isso usando endereços binários de estações Uma estação que queira usar o canal transmite seu endereço como uma sequência de bits binários, começando com o bit de alta ordem Supomos que todos os endereços têm o mesmo tamanho Os bits de cada posição de endereço das diferentes estações passam por uma operação OR booleana ao mesmo tempo Chamaremos esse protocolo de contagem regressiva binária

20 Subcamada de controle de acesso ao meio 20 Protocolos livres de colisão Contagem regressiva binária

21 Agenda Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) Protocolos livres de colisão Protocolos de disputa limitada Protocolos de LANs sem fio Outros protocolos 21

22 Subcamada de controle de acesso ao meio 22 Protocolos de disputa limitada O protocolo adaptativo de percurso em árvore Uma maneira particularmente simples de fazer as atribuições necessárias consiste em usar o algoritmo desenvolvido pelo exército norte-americano para testar a incidência de sífilis em soldados durante a Segunda Guerra Mundial Em resumo, o exército extraiu uma amostra de sangue de N soldados, uma parte de cada amostra foi colocada em um único tubo de teste Então, verificou-se se havia anticorpos nessa amostra misturada Se nenhum anticorpo fosse encontrado, todos os soldados do grupo eram considerados saudáveis Se houvesse anticorpos, duas novas amostras misturadas eram preparadas, uma dos soldados numerados de 1 a N/2 e outra com o sangue dos demais soldados O processo era repetido recursivamente até que os soldados infectados fossem identificados

23 Subcamada de controle de acesso ao meio 23 Protocolos de disputa limitada O protocolo adaptativo de percurso em árvore Uma árvore binária para oito estações

24 Agenda Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) Protocolos livres de colisão Protocolos de disputa limitada Protocolos de LANs sem fio Outros protocolos 24

25 Subcamada de controle de acesso ao meio 25 Protocolos de LANs sem fio Os primeiros computadores portáteis não tinham recursos para conectar-se a outros computadores Logo depois, os modems se tornaram comuns em notebooks Para estabelecerem comunicação, os computadores tinham de ser conectados a uma tomada de telefone A necessidade de uma conexão física com a rede fixa significava que os computadores eram portáteis, mas não móveis

26 Subcamada de controle de acesso ao meio 26 Protocolos de LANs sem fio Para alcançar a verdadeira mobilidade, os notebooks precisam usar sinais de rádio (ou infravermelho) para comunicação Dessa forma, os usuários dedicados podem ler e enviar mensagens de correio eletrônico enquanto estão dirigindo ou velejando Um sistema de notebooks que se comunicam por rádio pode ser considerado uma LAN sem fio Essas LANs têm propriedades um pouco diferentes daquelas que caracterizam as LANs convencionais e exigem o uso de protocolos especiais da subcamada MAC

27 Subcamada de controle de acesso ao meio 27 Protocolos de LANs sem fio Uma configuração comum para uma LAN sem fio é um edifício comercial com estações base (também chamadas pontos de acesso) estrategicamente posicionadas no edifício Todas as estações base são interconectadas com o uso de cobre ou fibra Se a potência de transmissão das estações base e dos notebooks for ajustada para um alcance de 3 ou 4 metros, cada sala se tornará uma única célula, e o edifício inteiro passará a ser um grande sistema celular

28 Subcamada de controle de acesso ao meio 28 Protocolos de LANs sem fio Por simplicidade, iremos supor que todos os transmissores de rádio têm um alcance fixo Quando um receptor estiver dentro do alcance de dois transmissores ativos, em geral o sinal resultante apresentará interferência e será inútil Em algumas LANs sem fios, nem todas as estações estão dentro do alcance de alguma outra estação, o que gera diversas complicações Além disso, para LANs sem fios internas, a presença de paredes entre as estações pode produzir um impacto decisivo sobre o alcance efetivo de cada estação

29 Subcamada de controle de acesso ao meio 29 Protocolos de LANs sem fio Um método simples de usar uma LAN sem fio talvez seja experimentar o CSMA Apenas ouvir outras transmissões e só transmitir se ninguém mais estiver fazendo isso O problema é que o que importa é a interferência no receptor e não no transmissor O problema da Estação oculta O problema da Estação exposta

30 Subcamada de controle de acesso ao meio 30 Protocolos de LANs sem fio O problema é que antes de iniciar uma transmissão, a estação realmente deseja saber se há ou não atividade no receptor O CSMA apenas informa a ela se há ou não atividade na estação que detecta a portadora Com um fio, todos os sinais se propagam para todas as estações e, portanto, somente uma transmissão pode ocorrer de cada vez em qualquer parte do sistema Em um sistema baseado em ondas de rádio de pequeno alcance, várias transmissões podem ocorrer simultaneamente, se todas tiverem destinos diferentes e esses destinos estiverem fora do alcance uns dos outros

31 Subcamada de controle de acesso ao meio 31 Protocolos de LANs sem fio MACA e MACAW Um protocolo antigo criado para LANs sem fios é o MACA (Multiple Access with Collision Avoidance - acesso múltiplo com abstenção de colisão) A ideia básica consiste em fazer com que o transmissor estimule o receptor a liberar um quadro curto como saída, para que as estações vizinhas possam detectar essa transmissão e evitar transmitir enquanto o quadro de dados (grande) estiver sendo recebido

32 Subcamada de controle de acesso ao meio 32 Protocolos de LANs sem fio MACA e MACAW Funcionamento do protocolo MACA RTS Request to Send CTS Clear to Send Ambos contém, dentre outras informações, o tamanho do quadro de dados a ser transmitidos

33 Subcamada de controle de acesso ao meio 33 Protocolos de LANs sem fio MACA e MACAW Com base em estudos de simulação do MACA, Bharghavan et al. (1994) otimizaram o MACA para melhorar seu desempenho e deram ao novo protocolo o nome MACAW (MACA for Wireless) Logo no início, eles observaram que sem as confirmações da camada de enlace de dados, os quadros perdidos não eram retransmitidos até que a camada de transporte percebesse sua ausência, bem mais tarde Eles resolveram esse problema introduzindo um quadro ACK após cada quadro de dados bem-sucedido

34 Subcamada de controle de acesso ao meio 34 Protocolos de LANs sem fio MACA e MACAW Os pesquisadores também observaram que o CSMA tinha alguma utilidade Principalmente para impedir uma estação de transmitir uma RTS ao mesmo tempo que outra estação vizinha também estiver transmitindo para o mesmo destino. Portanto, a detecção de portadora passou a ser utilizada Além disso, eles decidiram utilizar o algoritmo de recuo individualmente para cada fluxo de dados (par origem-destino), e não para cada estação Essa mudança melhorou a precisão do protocolo Também foi incluído um mecanismo para que as estações trocassem informações sobre congestionamento, o que melhorou o desempenho do sistema

35 Agenda Protocolos CSMA (Carrier Sense Medium Access) Protocolos livres de colisão Protocolos de disputa limitada Protocolos de LANs sem fio Outros protocolos 35

36 Subcamada de controle de acesso ao meio 36 Outros protocolos Mestre/escravo Nos sistemas com comando centralizado, somente uma estação pode agir como detentora do direito de transmissão Essa estação recebe o nome de Estação Mestre O direito de acesso ao meio físico é distribuído por um tempo limitado pela estação mestre às demais Transmissão de dados ocorrem apenas entre mestre e escravos A estação mestre executa uma varredura entre as estações escravo verificando se elas têm ou não dados a serem transmitidos O sistema depende de uma estação central Porém, este método garante um tempo definido entre transmissões

37 Subcamada de controle de acesso ao meio 37 Outros protocolos Token-passing Passagem de ficha (ou bastão) O direito de acesso ao meio é transmitido ciclicamente entre as várias estações, que podem trocar dados livremente entre si sem a intromissão de um mestre Protocolo mais complexo pois deve ter providências no caso da perda do token ou no caso de entrada/saída de uma das estações Duas configurações são padronizadas e conhecidas: Token-bus - IEEE Token-ring - IEEE 802.5

38 Subcamada de controle de acesso ao meio 38 Outros protocolos Comprimento de preâmbulo Nesse método, a cada mensagem é associado um preâmbulo com comprimento diferente, que é transmitido com a detecção de colisão desligada Após transmitir o preâmbulo, a estação reativa sua detecção de colisão Se for detectada uma colisão, então existe outra mensagem mais prioritária sendo enviada e a estação interrompe sua transmissão