Redes Locais de Computadores

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1 Redes Locais de Computadores Pós Graduação em Redes de Computadores e Telecomunicações Controle de Acesso Múltiplo Prof. Josafá de Jesus Silva

2 A tecnologia Ethernet AlohaNet inicio da década de protocolo ALOHA Bob Metcalfe (Xerox) Final de Mb/s -> Ethernet - CSMA (Carrier Sense Multiple Access) - qualquer computador Ethernet Patenteado pela Xerox em 1978

3 A tecnologia Ethernet DIX Ethernet/Ethernet II DEC, Intel e Xerox (1980) - 10 Mb/s IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers ) - Padrão (CSMA/CD) - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - Ethernet / IEEE / Ethernet

4 Padrões IEEE LLC (Logical Link Control) MAC (Medium Access Control) Ethernet Token Bus Token Ring Wireless Bluetooth Wimax

5 Acesso Múltiplo Camada de Enlace de Dados Controle de enlace de dados Controle de Acesso Múltiplo (Divisão IEEE para LAN s) Se possuirmos um enlace (canal) dedicado não precisamos da subcamada Controle de Acesso Múltiplo

6 Acesso Múltiplo Protocolos de acesso múltiplo Protocolos de acesso Randômico Protocolos de acesso Controlado Protocolos de Canalização ALOHA CSMA CSMA/CD CSMA/CA Polling Reservation Token Passing FDMA Frequency-Division TDMA Time-Division CDMA Code-Division

7 Acesso Randômico puro Cada estação envia um frame sempre que quiser iniciar uma transmissão Depende da confirmação do receptor Ocorrência frequente de colisões Estação 1 Frame 1.1 Frame 1.2 Estação 2 Frame 2.1 Frame 2.2 Estação 3 Frame 3.1 Frame 3.2 Estação 4 Frame 4.1 Frame 4.2

8 Acesso Randômico K: Numero de tentativas Tp: máximo de propagação Tfr: médio para enviar um frame TB: Back-off time inicio K=0 Aguarda o tempo TB (TB = RxTp ou RxTfr) Envia o Frame Escolhe um nº randômico R entre 0 e 2ᵏ -1 Aguarda o período de time-out (2xTp) K máx é igual a 15 Não K > K máx K= K+1 Não ACK recebido sim sim Aborta Bem Sucedido

9 início Acesso Randômico início Final início Final Final puro de Vulnerabilidade Final de B colide com inicio A Final de A colide com inicio C B A C t - Tfr t t + Tfr de vulnerabilidade = 2 x Tfr

10 Acesso Randômico Slotted Uma solução para o tempo de vulnerabilidade do ALOHA puro O tempo é dividido em slots de Tfr segundos. As estações são forçadas a transmitir somente no inicio de cada time slot. Estação 1 Frame 1.1 Frame 1.2 Estação 2 Frame 2.1 Frame 2.2 Estação 3 Frame 3.1 Frame 3.2 Estação 4 Frame 4.1 Frame 4.2 Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 5 Slot 6

11 início Acesso Randômico Final início início Final Final Slotted de Vulnerabilidade A colide com C B A C t - Tfr t t + Tfr de vulnerabilidade = Tfr

12 Acesso Randômico Carrier Sense Multiple Access A estação escuta a rede antes de transmitir A intenção era diminuir a probabilidade de colisões de Vulnerabilidade = de Propagação t₁ A B C D B escuta C escuta D escuta Propagação do quadro

13 Acesso Randômico Carrier Sense Multiple Access Métodos de Persistência O que fazer se o canal estiver ocupado? O que fazer se o canal estiver ocioso? Escuta a rede continuamente Escuta a rede e Transmite ocupada 1-Persistent

14 Acesso Randômico Escuta a rede Escuta a rede Escuta a rede e Transmite Aguarda Aguarda ocupada Nonpersistent Escuta a rede continuamente A probabilidade de resultado não permite a transmissão Time slot Time slot Time slot Transmite ocupada P-Persistent

15 Acesso Randômico Canal? Ocupado Canal? Ocupado Aguarda Randomicamente Ocioso Ocioso A estação pode transmitir A estação pode transmitir Ocioso Canal? Ocupado Ocupado Canal? Aguarda um slot Usa o processo de back-off muito embora tenha ocorrido uma transmissão > p Probabilidade do Resultado? p A estação pode transmitir

16 Acesso Randômico Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Especifica o procedimento a ser seguido após uma colisão Estação, enquanto transmite, detecta uma colisão Estende o algoritmo CSMA para tratar a colisão Nível de Energia Zero Energia Colisão Transmissão do Frame Transmissão do Frame Ocioso No nível ANORMAL, o nível de energia é o dobro do nível NORMAL.

17 Acesso Randômico K: Numero de tentativas Tp: máximo de propagação Tfr: médio para enviar um frame TB: Back-off time Frame para enviar inicio K=0 Método de Persistência Aguarda o tempo TB (TB = RxTp ou RxTfr) Escolhe um nº randômico R entre 0 e 2ᵏ -1 (Transmissão realizada) ou (Colisão Detectada) não Transmite e Recebe sim K máx é igual a 15 K > K máx sim K= K+1 Envia um sinal de interferência sim Colisão detectada? não Aborta Bem Sucedido

18 Acesso Randômico Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Criado para redes sem fio A ideia é evitar a colisão já que não é possível detectar Utiliza três estratégias : interframe space (espaçamento entre quadros) contention window (janela de contenção) acknowledgments (confirmação) Escuta a rede continuamente Encontra-se Ociosa IFS Tamanho: Exponencial Binário ocupada Janela de Contenção Transmite o Quadro Time-out

19 Acesso Randômico inicio K=0 Canal ocioso? não Aguarda período IFS Continua ocioso? não K > 15 Aborta não sim O tamanho da janela de contenção é 2ᵏ -1 Após cada slot, se ocioso, prosseguir; se ocupado, parar e prosseguir quando ocioso. sim Escolhe um nº randômico R entre 0 e 2ᵏ -1 Aguarda R slots Envia o quadro Aguarda vencer o time-out K= K+1 não ACK Recebido? sim Bem Sucedido

20 Acesso Controlado Reservation Cada estação precisa fazer uma reserva antes de transmitir Se existe N estações, existirão N minislots de reservas. Supondo 5 estações > 5 minislots Estação Estação 4 Estação 3 Estação Frame de reserva

21 Acesso Controlado Polling Um dispositivo é designado como estação primária A troca de dados é feita por intermédio da estação primária O dispositivo primário controla o acesso ao enlace Utiliza 2 funções: Select: Usada sempre que o primário tiver algo para transmitir. Polling: Usada pelo primário para solicitar dados aos secundários. Primário A B Primário A B ACK ACK dados ACK Select Polling

22 Acesso Controlado Token Passing Rede de anel lógico Para cada estação existe um antecessor e um sucessor Um Token circula pelo anel. A posso do Token dá direito a acesso ao canal e transmissão Topologia Bus Ring (Token Bus) Topologia Star Ring (Token Ring) HUB Usada na LAN Token Bus padronizada pela IEEE Usada na LAN Token Ring desenvolvida pela IBM

23 Protocolo de Canalização É um método de acesso múltiplo no qual a largura de banda disponível é compartilhada. Compartilhamento no (TDMA), em Frequência (FDMA) ou por código (CDMA). Aplicação destes métodos em redes de telefonia celular e GPS.

24 Protocolo de Canalização - FDMA FDMA (Frequency-Division Multiple Access) A largura de banda disponível é dividida em faixas de frequência. Alocado uma faixa a cada estação para envio dos dados. Cada faixa de frequência é reservada a determinada estação e a ela pertencerá durante todo o tempo. Para evitar interferências entre estações, as faixas alocadas são separadas umas das outras por pequenas bandas de proteção. Não confundir com FDM (Frequency Division Multiplexing) que se trata de uma técnica de multiplexação usada no nível de camada física.

25 FDMA dados ƒ ƒ dados 1... t... t 2 ƒ... Canal Comum Dados t 3 Em silêncio ƒ... t ƒ... t 4 dados

26 Protocolo de Canalização - TDMA TDMA (Time-Division Multiple Access) As estações compartilham a largura de banda do canal no tempo. Alocado um time-slot para cada estação, durante o qual ela pode enviar dados. Existe um problemas na sincronização entre diferentes estações. Cada estação precisa saber o inicio e a posição do seu slot. Problemas devido o atrasos de propagação em áreas muito extensa. Para corrigir é adicionado bits de sincronização (preâmbulo). Não confundir com o TDM (Time-Division Multiplexing) que é uma técnica da camada física que combina os dados dos canais mais lentos e os transmite usando um canal mais rápido.

27 TDMA dados ƒ ƒ dados 1... t... t 2 ƒ Canal Comum Dados t 3 Em silêncio ƒ... t ƒ... t 4 dados

28 Protocolo de Canalização - CDMA CDMA (Code-Division Multiple Access) Implementação só foi possível com avanço na tecnologia eletrônica. Um canal transporta simultaneamente todas as transmissões. Somente um canal ocupa a largura de banda inteira do enlace (diferente do FDMA). Todas as estações podem enviar dados simultaneamente, não há compartilhamento de tempo (diferente do TDMA).

29 CDMA ANALOGIA Inglês Inglês Japonês francês Japonês francês

30 CDMA CONCEITO Cada estação possui um identificador para os dados e outro para o código Exemplo: Dados da estação 1 = d₁ - Código da estação 1 = c₁ Dados da estação 2 = d₂ - Código da estação 2 = c₂ Dados da estação 3 = d₃ - Código da estação 3 = c₃.. Propriedades: 1 Se multiplicarmos cada código por outro, temos 0 (zero) 2 Se multiplicarmos cada código por si mesmo, temos o numero de estações

31 CDMA CONCEITO Supondo 4 Estações Qualquer estação que quiser receber dados de uma das outras três estações multiplica os dados no canal pelo código do emissor. Exemplo: A estação 2 quer ouvir o que a estação 1 está dizendo. A estação 2 multiplica os dados no canal por c₁ que é o código da estação 1. (c₁ x c₁) é 4, mas (c₂ x c₁), (c₃ x c₁) e (c₄ x c₁) são todos igual a 0, a estação 2 divide o resultado por 4 para obter dados da estação 1. d₁ x c₁ + d₂ x c₂ + d₃ x c₃ + d₄ x c₄. c₁ = 4 x d₁

32 CDMA d₁ d₂ 1 d₁ x c₁ d₂ x c₂ 2 d₁ x c₁ + d₂ x c₂ + d₃ x c₃ + d₄ x c₄ Dados Canal Comum 3 d₃ x c₃ d₄ x c₄ 4 d₃ d₄

33 CDMA Chip code Baseado na teoria da criptografia. As sequências dos chips são geradas utilizando uma tabela de Walsh Chamadas de sequências ortogonais Cada sequência é composta por N elementos, onde N é o numero de estações C₁ C₂ C₃ C₄ [ ] [ ] [ ] [ ]

34 CDMA Chip code Propriedades Se multiplicarmos uma sequencia por uma numero, cada elemento da sequência é multiplicado por esse numero. Denomina-se multiplicação de uma sequência por um escalar. 2 X [ ] = [ ] Multiplicando duas sequencias iguais, elemento por elemento e somarmos os resultados obtemos N, em que N é o número de elementos em cada sequência. Conhecido como produto interno de duas sequências iguais. [ ] X [ ] = = 4

35 CDMA Chip code Propriedades Multiplicando duas sequências diferentes, elemento por elemento, e somar os resultados, obtemos 0 (zero). Isso é chamado de produto interno de duas sequências diferentes. [ ] X [ ] = = 0 Somando duas sequências significa somar os elementos correspondentes. O resultado será outra sequência. [ ] + [ ] = [ ]

36 CDMA Representação de Dados Bit de dados 0-1 Bit de dados 1 +1 Silêncio 0

37 CDMA Codificação e Decodificação C₁ [ ] Bit 0 Bit d₁ x c₁ d₂ x c₂ [ ] [ ] 2 C₂ [ ] [ ] Dados Canal Comum C₃ [ ] 3 0 Silêncio [ ] [ ] d₃ x c₃ d₄ x c₄ 4 +1 Bit 1 C₄ [ ]

38 CDMA Nível de Sinal Bit 0 1 [ ] Bit 0 2 [ ] Silêncio 3 [ ] Bit 1 4 [ ] Dados no canal

39 CDMA Decodificação do sinal Dados resultantes no canal Código Chip da estação 2 3 [ ] Resultado do produto interno Somatório dos intervalos -4-4/4-1 Bit 0

40 Referências TANENBAUM, Andrew S. Redes de Computadores STALLINGS, William. Redes e Sistemas de Comunicação de Dados ODOM, Wendell. CCNA Intro: Exam Certification Guide FOROUZAN, Behrouz A. Comunicação de Dados e Redes de Computadores

41 Atividade 1. Cite três categorias de protocolo de acesso múltiplo. 2. Explique o conceito de acesso randômico e cite três protocolos desta categoria. 3. O termo Ethernet é direito autoral de qual empresa? 4. Explique o conceito de acesso controlado e cite três protocolos. 5. Quais são os métodos de persistência do CSMA? 6. O que ocorre com o nível de energia do meio físico no momento da colisão? 7. É necessário um protocolo de acesso múltiplo quando usamos uma linha dedicada para transmissão de dados? Porquê? 8. Cite três protocolos de canalização e quais tecnologias são utilizados. 9. Explique por que colisões constituem problemas para os protocolos de acesso randômico, mas não para os protocolos de acesso controlado. 10. O que é utilizado para gerar a sequencia do chip code no CDMA?

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