REDES DE COMPUTADORES Camada de Enlace. Alexandre Augusto Giron

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1 REDES DE COMPUTADORES Camada de Enlace Alexandre Augusto Giron

2 ROTEIRO Introdução Serviços Técnicas de Detecção e correção de Erros Protocolos de Acesso múltiplo Endereçamento Ethernet VLANs

3 Relembrando Comunicação da camada de rede: entre hospedeiros Para ligar hospedeiros Um conjunto de enlaces de comunicação é usado para cada elemento entre os hospedeiros

4 Introdução Enlaces conectam interfaces de adaptadores de rede Camada de enlace implementada nos adaptadores de rede Controlador de Interface de Rede (NIC)

5 Adaptador de Rede

6 Introdução Um protocolo de enlace define O formato dos pacotes trocados entre os adaptadores: Quadros Exemplos Ethernet (LANs sem fio Wi-Fi) Token ring PPP (Point-to-Point) Função básica Mover um datagrama da camada de rede de um nó até outro nó adjacente Por meio de um único enlace

7 Alguns Serviços Enquadramento de Dados Detecção de Erros Correção de Erros Comunicação Half ou Full-Duplex Half-Duplex: apenas um nó transmite em um determinado tempo Full-Duplex: um nó pode transmitir e receber ao mesmo tempo...

8 Técnicas de Detecção e Correção de Erros Desafio: receptor identificar se datagrama D recebido é igual ao D (original) O hardware da camada de enlace pode Ler um bit com erro por atenuação de sinal ou ruído eletromagnético Técnicas Verificação de Paridade Soma de Verificação CRC: Verificação de Redundância Cíclica

9 Verificação de Paridade Mais simples Considere uma informação D Com d bits Verificação de paridade consiste em Remetente: adicionar um bit ao final Bit de Paridade = 1 se a quantidade de 1 s é ímpar d + BitParidade = Quantidade par de 1 s Receptor: somar d com o bit de paridade Se d + BitParidade = Quantidade ímpar: Erro!

10 Verificação de Paridade Exemplo Bits de Dados (d) BitP Emissor envia d e o BitP No receptor Q bits = Quantidade é par! Não há erro

11 Verificação de Paridade Com esse esquema Receptor sabe que há um erro em algum bit Sabe que há um número ímpar de erros de bit Problema: E se houve um número par de erro? Erro não detectado! Solução: Paridade Bidimensional

12 Verificação de Paridade: Bidimensional Esquema de bit único generalizado d bits são divididos em i e j Um valor de paridade é calculado para cada linha e para cada coluna

13 Verificação de Paridade: Bidimensional Exemplo d 1,1, d 1, Montando a matriz

14 Verificação de Paridade: Bidimensional Exemplo Calculando os bits de Paridade

15 Verificação de Paridade: Bidimensional Exemplo Receptor: há erro? Verifique novamente a paridade (i,j)

16 Verificação de Paridade: Bidimensional (2) E agora, receptor: há erro?

17 Verificação de Paridade: Bidimensional (2) E agora, receptor: há erro? Paridade incorreta!! Qtde ímpar de

18 Paridade Bidimensional Como montar a matriz? Não há na literatura método explícito Uma abordagem é obter o quantidade mínima de bits de paridade Exemplo D= 1100 Caso1 Caso Caso1: i+j+1 Caso2: i+j+1 Caso1: Caso2: Caso1: 5 bits Caso2: 6 bits

19 Soma de Verificação TCP Verificação ocorre em todo o pacote (segmento) IPv4 Verificação apenas sobre o cabeçalho Outra abordagem Uma soma de verificação para o cabeçalho, outra para os dados

20 Soma de Verificação Fluxo geral Remetente: complemento de 1 da soma das palavras de 16 bits (considerando o vai-um ) Checksum Envia o checksum Receptor: compara o checksum com o novo cálculo Todos bits = 1: OK! Um bit = 0: Erro detectado!

21 CRC Código de verificação de Redundância Cíclica CRC Amplamente usada atualmente São conhecidos como códigos polinomiais

22 CRC Considere d bits de dados A serem enviados de A para B Gerador G: A e B devem fixar um padrão de r+1 bits geradores No emissor: Para um conjunto d, A escolherá r bits adicionais De modo que d + r seja divisível por G Anexará ao conjunto d O receptor: Divide os d + r bits por G Se o resto for diferente de 0, erro! Se o resto for 0, dados corretos

23 CRC Cálculos de CRC usam aritmética de módulo 2 sem vai um

24 CRC Como calcular R? R = resto D. 2 r G Após R calculado, O emissor anexa R em D Assim, o receptor fará a divisão por G Se o resto for 0, não haverá erro

25 CRC exemplo Considere: D = G = 1001 r = 3 (3 bits para erro) Emissor Calcular R Anexar R a D e enviar Receptor Divide D+R por G

26 CRC exemplo (Emissor) Calcular R * 2 3 = R = Não considera empresta 1

27 CRC exemplo (receptor) Emissor envia: D+R = Receptor Sem erros!

28 CRC considerações Mas como emissor e receptor conhecem o mesmo G? Padrões internacionais de CRC (IEEE) Exemplo: Para CRC de 32 bits G CRC-32 =

29 Exercícios 1. Calcule o bit de paridade para os seguintes dados a b Qual o problema da técnica anterior? 3. Refaça os exercícios anteriores para calcular a paridade bidimensional, montando a matriz conforme visto em aula. 4. No CRC, considere G=10011, r=4 e suponha que D= Calcule R.

30 PROTOCOLOS DE ACESSO MÚLTIPLO

31 Protocolos de acesso múltiplo Dois tipos de enlace Enlace ponto a ponto Protocolo PPP (Point-to-Point) Enlace de broadcast Vários nós emissores e vários receptores no mesmo canal compartilhado Ethernet, LAN sem fio Problema do acesso múltiplo Como coordenar o acesso ao canal compartilhado?

32 Protocolos de acesso múltiplo Nós regulam a transmissão pelo canal compartilhado

33 Protocolos de acesso múltiplo Colisão Quando vários nós recebem quadros ao mesmo tempo Dados embaralhados Canal broadcast desperdiçado Requisitos desejáveis (ao protocolo) 1. Quando apenas um nó tem dados para enviar, a vazão deve ser R bps (a máxima) 2. Quando M nós têm dados para enviar, a vazão deve ser R/M bps em algum intervalo de tempo 3. Descentralização 4. Implementação simplificada

34 Protocolos de acesso múltiplo Classificação Protocolos de divisão de canal Protocolos de acesso aleatório Protocolos de revezamento

35 Protocolos de Divisão de Canal TDM: Multiplexação por Divisão de Tempo Quadros temporais Divide cada quadro em N compartimentos Cada nó transmite durante seu compartimento

36 Protocolos de Divisão de Canal FDM: Multiplexação por Divisão de Frequência Divide um canal de R bps em frequências diferentes para N nós

37 Protocolos de Divisão de Canal CDMA: Acesso Múltiplo por Divisão de Código Atribui a cada nó um código diferente Permite a transmissão simultânea Desde que os códigos não gerem colisão Vêm sendo utilizadas para acesso sem fio Veremos mais adiante...

38 Protocolos de Acesso Aleatório Vantagem sobre a divisão de canal: Atribui a largura máxima disponível Mas permite colisões Variedade de protocolos de acesso aleatório Slotted Aloha CSMA CSMA/CD

39 Protocolos de Acesso Aleatório Slotted Aloha Tempo dividido em slots de mesmo tamanho Nós transmitem no início dos slots Se houver colisão, o nó deve detectar e retransmitir o quadro Probabilidade p: esperar o próximo slot e retransmitir ou esperar e calcular p novamente Problema Desperdício de transmissão

40 Protocolos de Acesso Aleatório Slotted Aloha C: Colisão E: Vazio S: Intervalo bem-sucedido: apenas um nó

41 Protocolos de Acesso Aleatório CSMA (Carrier Sense Multiple Access): Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora Conceitos principais: Ouça antes de falar : detecção de portadora Se alguém começar a falar ao mesmo tempo que você, pare de falar : detecção de colisão CSMA Apenas com detecção de portadora CSMA/CD Com detecção de colisão

42 Protocolos de Acesso Aleatório CSMA Permite que haja colisão Como? Atraso fim a fim de canal Tempo que um sinal leva para atingir todo o canal

43 Protocolos de Acesso Aleatório CSMA

44 Protocolos de Revezamento Variedade de protocolos Protocolo de Seleção (Polling) Protocolo de Passagem de Permissão

45 Protocolos de Revezamento Polling Um nó é designado como master Gerência do canal Nó mestre seleciona cada nó para transmissão Alternância circular Evita colisão e não há intervalo vazio Mas há atraso de seleção Se o nó mestre falhar, canal ficará inoperante Bluetooth usa esse esquema

46 Protocolos de Revezamento

47 Protocolos de Revezamento Passagem de permissão Similar ao polling Não há nó mestre Após o nó transmitir, ele repassa a permissão (token) a um nó específico Se o nó recebe o token Ele pode transmitir Nada a transmitir: repassa o token Protocolo FDDI e utilizam esse esquema Fiber Distributed Data Interface

48 ENDEREÇAMENTO

49 Endereçamento na camada de enlace Cada nó deve possuir um endereço de enlace Endereço MAC (media access control) Também denominado endereço de LAN ou endereço físico Endereço do adaptador de rede (não do nó em si)

50 Endereçamento na camada de enlace Endereço MAC é exclusivo Mas pode ser alterado via software IEEE: Regula a distribuição entre as empresas fabricantes 6 bytes Não segue uma estrutura hierárquica como o IP

51 Endereçamento na camada de enlace Fluxo: Um adaptador de um nó envia um quadro Utiliza o MAC do adaptador de destino Cada adaptador que receber o quadro Compara o MAC do quadro com o próprio Se o quadro for destinado a outro MAC, descarta MAC Broadcast Quadro para todos os adaptadores da LAN 48 bits 1: FF-FF-FF-FF-FF-FF 16

52 Endereçamento na camada de enlace Transição entre camada de rede e enlace IP -> MAC MAC -> IP Protocolo ARP Address Resolution Protocol

53 ARP Traduz endereços IP para MAC Similar ao DNS Porém trabalha na mesma sub-rede Cada hospedeiro possui uma tabela ARP Pode-se dizer que o ARP trabalha na fronteira entre Enlace e Rede

54 ARP Tabela ARP [ ] IP MAC TTL B2-2F-54-1A-0F 13:45: C-66-AB B1 13:52:00

55 ARP Tradução é fácil quando o registro está na tabela E se o destino não estiver na tabela? ARP Query Exemplo Nó A não possui registro do nó B A envia uma ARP Query (IP de destino) mas com quadro broadcast (FF-FF-FF-FF-FF-FF) Adaptador de B receberá o quadro B devolverá o mapeamento IP->MAC em um quadro com o MAC de A A poderá ajustar sua tabela ARP

56 ARP ARP para fora da rede? Fluxo:

57 ARP ARP para fora da rede? Fluxo: Nó A usa o ARP para descobrir o MAC do roteador A envia o datagrama para o adaptador do roteador Com IP do nó de destino B Roteador usa ARP para descobrir o MAC do adaptador de destino Envia o quadro para B

58 ARP: Exercício em sala 1. Monte uma possível tabela ARP para o hospedeiro B representado na figura: 2. Considerando que A deseja enviar um datagrama para F: a. Qual o n máximo de consultas ARP que poderão ser efetuadas? b. Qual o endereço IP de destino que A utilizará no datagrama? c. Qual o endereço MAC que A utilizará no quadro?

59 EQUIPAMENTOS: SWITCHES, HUBS E BRIDGES

60 Hub Conecta dispositivos em uma rede Originalmente Hubs trabalham na camada física Repete as informações para todos os dispositivos conectados

61 Switch Também conecta dispositivos em uma rede Camada de Enlace Destinam quadros de acordo com o número de porta do switch

62 Bridge Também trabalham na camada de enlace Realizam a conexão entre redes Pode ser usado para extensão de sinal de redes

63 ETHERNET

64 Ethernet Tecnologia dominante para LANs com fio Projeto original inventado na década de 70 Bob Metcalfe

65 Ethernet Originalmente desenvolvida para utilização com barramentos Topologia em estrela prevalece Hub Switch

66 Quadro Ethernet Quadro Ethernet pode carregar IP ou outros tipos de datagramas Campo de dados 46 a 1500 bytes, carrega o datagrama IP. MTU define o tamanho máximo (1500) Endereço MAC de Destino Endereço MAC de fonte Tipo: 2 bytes para distinguir qual o protocolo de rede que está sendo usado CRC: 4 bytes: permitir a verificação de erro Preâmbulo: 8 bytes: sincronismo, variações de velocidades

67 Ethernet O serviço Ethernet também não é confiável Não há reconhecimentos (ACKs) Se um quadro no receptor estiver com erros (CRC), receptor descarta Serviço não orientado a conexão

68 Ethernet Velocidades variáveis 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps (até 10 Gbps) Se muitos nós estiverem transmitindo Eficiência é menor d prop : tempo máximo para que o sinal se propague entre dois adaptadores d trans : tempo para transmitir um quadro Ethernet

69 Ethernet Eficiência E (aproximação): E = *d prop /d trans Se propagação for próxima de zero Eficiência aumenta

70 Ethernet

71 Ethernet Se a topologia incluir um Hub Canal é broadcast Ethernet então necessita de um protocolo de acesso múltiplo Utiliza o CSMA/CD

72 CSMA/CD Ethernet CSMA/CD normalmente executado nos adaptadores Detecção de Portadora Não transmite se outro adaptador está transmitindo Detecção de colisão (Collision Detection) Aborta a transmissão se perceber outra transmissão simultânea Jam signal: para deixar todos cientes da colisão Não há noção de divisão de tempo (acesso aleatório)

73 CSMA/CD Ethernet Se a transmissão foi abortada Antes de retransmitir Espera um período de tempo aleatório: back-off exponencial Escolhe um K aleatório crescente e aguarda esse período Verifica se o canal está ocioso Envia o quadro

74 CSMA/CD Applet

75 Interconexão Utilizando Hubs Domínio de colisão (CSMA/CD) é o mesmo Pacotes encaminhados para todos Velocidade compartilhada Modo mais simples de conexão de LANs Transparência

76 Interconexão Exemplo com Hubs Exemplo (Hubs)

77 Interconexão Utilizando Switches Domínio de colisão isolado Apenas nos Hubs de nível inferior Há filtragem Capacidade de determinar se um quadro deve ser encaminhado ou descartado Pacotes são destinados de acordo com o número de porta do switch Velocidade portanto é dedicada Plug-and-play Transparência Switch usa uma tabela de comutação Similar ao repasse

78 Interconexão Exemplo com Switches

79 Interconexão Exemplo com Endereço Interface Horário A 1... B 1... E 2... G Switches

80 Exercício em sala 1. Considere a seguinte situação (figura ao lado): a) Suponha que o nó 2 deseja enviar. Explique como o CSMA/CD controla o envio do nó 2. b) Suponha que o nó 1 deseja enviar dados. Explique o que acontecerá com os nós 1 e 3 neste caso. c) Quanto menor o atraso de propagação, maior é a eficiência do CSMA/CD. V ou F? Justifique. 2. Explique as diferenças básicas entre hubs e switches.

81 REDES LOCAIS VIRTUAIS VLANS

82 VLAN Mesmo que haja uma hierarquia de rede em uma instituição Se houvessem 10 departamentos, 10 hubs seriam necessários Há dificuldade em realizar conexões específicas entre departamentos Solução: VLAN

83 VLAN Permite que várias LANS virtuais sejam implementadas usando a mesma infraestrutura Divide-se uma rede física em vários segmentos (VLANs)

84 VLAN Conceito simples Consiste em atribuir um conjunto de interfaces do switch (ou comutador de enlace) a uma VLAN Estática ou Dinamicamente

85 VLAN exemplo Único comutador para divisão em 2 VLANs Interfaces de 2 a 8: Dept1; Interfaces de 9 a 15: Dept2;

86 Como conectar VLANs Por cabo direto Uma VLAN por interface Pouco escalável: N VLANs exigem N interfaces VLAN trunking Duas configurações para interface Acesso: única VLAN Trunking: mesmo enlace para várias VLANs

87 Como conectar VLANs Por cabo direto VLAN trunking (802.1Q)

88 RESUMO Um protocolo de enlace define: O formato dos quadros trocados entre adaptadores Uma das responsabilidades Verificação de Erro: CRC, Soma de Verificação ou por Paridade

89 RESUMO Protocolos de Acesso Múltiplo Para enlaces broadcast Classificação: Protocolos de divisão de canal (TDM, FDM, CDMA) Protocolos de acesso aleatório (Slotted Aloha, CSMA) Protocolos de revezamento (Polling e Passagem de Permissão)

90 RESUMO Endereços da camada de enlace MAC para cada adaptador Protocolo ARP: IP MAC Ethernet Predominante Serviço não confiável e sem conexão Suporte a diferentes protocolos de rede CSMA/CD quando o enlace for broadcast VLAN Permite que várias LANS virtuais sejam implementadas usando a mesma infraestrutura

91 Bibliografia 1. Kurose, James F.; Ross, Keith W.; Redes de Computadores e a Internet (preferencialmente a 5ª Edição). São Paulo, SP: Pearson Addison Wesley, 2010.

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