Redes de Computadores. Módulo III Camada de Enlace de Dados

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1 Redes de Computadores Módulo III Camada de Enlace de Dados 1

2 Funções da camada de enlace de dados Introdução Fornecer uma interface de serviço bem definida à camada de rede Lidar com erros de transmissão Regular o fluxo de dados Receptores lentos X transmissores rápidos 2 Introdução A camada de enlace de dados recebe os pacotes da camada de rede e os encapsula em quadros para transmissão 3 1

3 Serviços O principal serviço é transferir dados da camada de rede da máquina de origem para a camada de rede da máquina de destino. 4 Serviços Três possibilidades são oferecidas com frequência Serviço sem conexão e sem confirmação Maior parte das LANs Serviço sem conexão e com confirmação Sistemas sem fio Serviço orientado a conexões com confirmação Necessidade de fluxo de bits confiáveis 5 2

4 Localização do protocolo de enlace de dados Serviços 6 Enquadramento Para oferecer serviços à camada de rede, a camada de enlace de dados deve usar o serviço fornecido a ela pela camada física A camada de enlace de dados divide o fluxo de bits em quadros utilizando os seguintes métodos Contagem de caracteres Bytes de flags, com inserção de bytes Flags iniciais e finais, com inserção de bits 7 3

5 Enquadramento Contagem de caracteres O destino perderá a sincronização e não será capaz de localizar o início do quadro seguinte 8 Enquadramento Flags com inserção de bytes O método depende da utilização de caracteres de 8 bits O UNICODE emprega 16 bits 9 4

6 Flags iniciais e finais, com inserção de bits Enquadramento (a) Dados originais (b) Dados transmitidos (c) Dados armazenados no receptor após a remoção dos bits 10 Controle de Erros Como ter certeza de que todos os quadros serão entregues na camada de rede de destino, e na orderm apropriada? O protocolo solicita que o receptor retorne quadros de controle especiais com confirmações positivas ou negativas sobre os quadros recebidos Utilizando timers Atribuindo números de sequência aos quadros 11 5

7 Controle de Fluxo O controle de fluxo é necessário para evitar que um transmissor envie dados mais rapidamente que um receptor é capaz de aceitar Abordagens utilizadas Controle de fluxo baseado em feedback O receptor envia de volta ao transmissor informações que permitem ao transmissor enviar mais dados ou pelo menos mostram ao transmissor a situação real do receptor Controle de fluxo baseado na velocidade Um mecanismo interno limita a velocidade com que os transmissores podem enviar os dados, sem usar o feedback do receptor 12 Detecção e Correção de Erros Emprega códigos baseados na inclusão de informações redundantes Códigos de detecção de erros Inclusão de uma redundância sucificiente apenas para permitir que o receptor deduza que houve um erro, mas sem identificar qual, e solicite uma retransmissão Códigos de correção de erros Enlaces que geram muitos errros, é melhor adicionar redundância suficiente a cada bloco para que o receptor seja capaz de descobrir o bloco original 13 6

8 Código de correção de erros Detecção e Correção de Erros Exemplo: Código de Hamming 14 Código de detecção de erros Detecção e Correção de Erros Exemplo: Código de Redundância Cíclica (CRC) ou código polinomial 15 7

9 Protocolos elementares Simplex sem restrição Recursos ilimitados (utopia) Simplex stop-and-wait Protocolos de Enlace de Dados Depende da capacidade de processamento do receptor Feedback do receptor Simplex para canal com ruído Uso de confirmação positiva 16 Protocolos de janelas deslizantes Canal full-duplex Uso de piggybacking Janela deslizante de um bit Similar ao stop-and-wait Janela deslizante com go back n Uso de confirmação negativa Protocolos de Enlace de Dados Janela deslizante com retransmissão seletiva 17 8

10 Protocolos de Enlace de Dados HDLC (High Level Data Link Control Protocol) Origem no SDLC (Synchronous Data-Link Control) da IBM O protocolo SDLC é usado na arquitetura SNA (Systems Network Architecture), e continua sendo o primeiro protocolo utilizado para links em redes geograficamente distribuídas (WANs). A ISO modificou o SDLC para criar e padronizar o HDLC Protocolo orientado a bits O protocolo HDLC é utilizado em ligações ponto a ponto e suportam operações full-duplex Os serviços oferecidos por esse protocolo são do tipo orientado à conexão 18 Protocolos de Enlace de Dados HDLC (High Level Data Link Control Protocol) cont. Formato do quadro Flag seqüência de delimitação de quadro Endereço (Address) identifica a estação que está recebendo o frame ou está enviando a resposta 19 9

11 Protocolos de Enlace de Dados HDLC (High Level Data Link Control Protocol) cont. Controle (Control) a configuração desse campo varia de acordo com a função (informação, supervisão e não-numerada) Informação (Data) Esse campo contém o texto a ser transferido através do enlace nos quadros de informação; Total de verificação (Checksum) Seqüência de detecção de erros. Assegura a integridade dos dados transmitidos; 20 PPP (Point-to-Point Protocol) Protocolos de Enlace de Dados Único protocolo utilizado na Internet Cuida do tráfego de roteador para roteador e de usuário doméstico para ISP PC doméstico que conecta a um provedor de serviços da Internet 21 10

12 Protocolos de Enlace de Dados PPP (Point-to-Point Protocol) cont. O PPP dispõe de três recursos Enquadramento Protocolo de controle de enlace (Link Control Layer LCP) Usado para ativar, testar, negociar opções e desativar linhas Protocolo de controle de rede (Network Control Protocol NCP) Usado para negociar as opções da camada de rede de modo independente de protocolo da camada de rede a ser utilizado 22 Protocolos de Enlace de Dados PPP (Point-to-Point Protocol) cont. Formato do quadro PPP Flag Marca o fim e início do quadro Endereço indica que todas as estações devem aceitar o quadro 23 11

13 Protocolos de Enlace de Dados PPP (Point-to-Point Protocol) cont. Controle indica que o quadro é não-numerado Protocolo Informa o tipo de pacote que se encontra no campo carga útil (LCP, NCP, IP, IPX, AppleTalk e outros) Carga útil (Payload) Tem tamanho variável (padrão de 1500 bytes) Total de Verificação (Checksum) Permite detecção de erros 24 Subcamada de Controle de Acesso ao Meio 12

14 Tipos de redes Ponto a ponto Difusão Introdução Em qualquer rede de difusão, a questão fundamental é determinar quem tem direito de usar o canal quando há disputa por ele Exemplo Teleconferência Os protocolos usados para determinar quem será o próximo em um canal de multiacesso pertencem a uma subcamada da camada de enlace de dados, chamada subcamada MAC (Medium Access Control) 26 Alocação de Canais Alocação estática de canais em LANs e MANs FDM (Frequency Division Multiplexing) TDM (Time Division Multiplexing) 27 13

15 Alocação de Canais Alocação estática de canais em LANs e MANs FDM / TDM Alocação simples e eficiente se o número de usuários é pequeno e constante de usuários, cada um dos quais com carga de tráfego pesada Exemplo Centrais de comutação de concessionárias Problema básico ocorre quando alguns usuários ficam inativos e sua largura de banda é perdida Nenhum dos métodos estáticos tradicionais de alocação de canais funciona bem com um tráfego em rajadas. 28 Alocação de Canais Alocação estática de canais em LANs e MANs Pela teoria de filas, com tempos de chegada e de serviço de Poisson, temos para um único canal 1 T = μc λ onde, T é o retardo de tempo médio (seg.) C é capacidade do canal (bps) 1/µ é o comprimento médio de cada quadro (bits) λ é a taxa de chegada dos quadros (seg) 29 14

16 Alocação de Canais Alocação estática de canais em LANs e MANs Exemplo Se C = 100 Mbps, 1/µ= bits e λ = 5000 quadros/s Então, T= 200 µs Dividindo o único canal em N subcanais independentes, cada um com capacidade C/N bps e taxa média de entrada em cada um dos subcanais de λ /N, teremos T 1 N = = μ(c/n) (λc) μc λ = NT 30 Alocação de Canais Alocação dinâmica de canais em LANs e MANs Premissas fundamentais Modelo da estação Terminais independentes Canal único Canal disponível para todos os terminais Colisão Quadros transmitidos simultaneamente Tempo contínuo ou segmentado A transmissão pode começar a qualquer instante ou em intervalos discretos Detecção da portadora ou não As estações podem detectar se o canal está sendo usado ou não 31 15

17 ALOHA puro Protocolos de Acesso Múltiplo Permite que os usuários transmitam sempre que tiverem dados para serem enviados Os quadros foram criados com o mesmo comprimento porque o throughput é maximizado 32 ALOHA puro Condições que ocorrem as colisões Protocolos de Acesso Múltiplo 33 16

18 Slotted ALOHA Protocolos de Acesso Múltiplo Divide o tempo em intervalos discretos, com cada intervalo correspondendo a um quadro O terminal só pode transmitir no início de um intervalo Exige a uma sincronização entre os usuários Duplica a capacidade do Aloha puro 34 Protocolos de Acesso Múltiplo Desempenho do ALOHA puro e do Slotted ALOHA 35 17

19 Protocolos de Acesso Múltiplo Protocolos CSMA (Carrier Sense Multiple Access) CSMA persistente Estação escuta o canal Se o canal estiver ocupado, a estação espera até que ele fique ocioso Inicia a transmissão quando o canal estiver desocupado Se ocorrer colisão, espera um tempo aleatório e recomeça 36 Protocolos de Acesso Múltiplo Protocolos CSMA (Carrier Sense Multiple Access) CSMA não-persistente Estação escuta o canal Inicia a transmissão quando o canal estiver desocupado Se o canal estiver ocupado não permanecerá escutando continuamente a fim de se apoderar de imediato do canal após detectar o fim da transmissão anterior Aguarda um tempo aleatório para escutar novamente o canal Se ocorrer colisão, espera um tempo aleatório e recomeça Resulta um melhor desempenho e um maior retardo do que no CSMA persistente 37 18

20 Protocolos de Acesso Múltiplo Protocolos CSMA (Carrier Sense Multiple Access) CSMA p-persistente Aplicado a canais segmentados (slotted) Estação escuta o canal Se o canal estiver desocupado Inicia a transmissão com propabilidade p, ou Adia até o próximo slot com probabilidade q = 1- p, e volta a escutar o canal Se o canal estiver ocupado ou ocorrer colisão, espera um tempo aleatório e recomeça 38 Protocolos de Acesso Múltiplo Protocolos CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Comparando o desempenho dos protocolos 39 19

21 Protocolos de Acesso Múltiplo Protocolos CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) Base da LAN Ethernet Quando duas estações detectam uma colisão, interropem imediatamente a transmissão Economia de tempo e largura de banda CSMA/CD possui três estados: disputa, transmissão ou repouso 40 Protocolos livres de colisão Protocolo de mapa de bits Protocolos de Acesso Múltiplo Conhecido como protocolos de reserva 41 20

22 Protocolos livres de colisão Contagem regressiva binária Protocolos de Acesso Múltiplo 42 Protocolos de Acesso Múltiplo Protocolos WDMA (Wavelength Division Multiple Access) O espectro é dividido em canais (bandas de comprimento de onda) (a) Larguras de banda originais. (b) Larguras de banda aumentam em frequência (b) Canal Multiplexado 43 21

23 Protocolos WDMA (cont.) Existem dois tipos de canais Um canal estreito para controle Protocolos de Acesso Múltiplo Um canal largo para transmitir dados Cada estação possui dois transmissores e dois receptores Aceita três classes de tráfego Tráfego orientado a conexões com taxa de dados constante Ex.: Vídeo não-compactado Tráfego orientado a conexões com taxa de dados variável Ex.: Transferência de arquivos Tráfego de datagramas Ex.: Pacotes UDP 44 Protocolos WDMA (cont.) Protocolos de Acesso Múltiplo 45 22

24 Protocolos de LAN sem fio Protocolos de Acesso Múltiplo (a) Problema da estação oculta (b) Problema da estação exposta 46 Protocolos de Acesso Múltiplo Protocolos de LAN sem fio MACA (Multiple Access with Collision Avoidance) 47 23

25 Protocolos de LAN sem fio MACAW (MACA for Wireless) Introduziu melhorias no protocolo Protocolos de Acesso Múltiplo ACK após cada quadro de dados bem-sucedido Detecção da portadora para impedir uma estação transmitir uma RTS ao mesmo tempo que a vizinha Troca de informações entre as estações sobre congestionamento 48 Cabeamento Ethernet Tipos mais comuns Ethernet 49 24

26 Ethernet Cabeamento Ethernet Conectores (a) 10Base5 ( Vampire taps ), (b) 10Base2 (BNC), (c) 10Base-T (RJ45) 50 Cabeamento Ethernet Conexão de redes maiores Repetidor Ethernet Dispositivo de camada física, que amplifica (regenera) e retransmite sinais em ambos os sentidos Dois transceptores não podem estar a mais de 2,5 km de distância e nenhum caminho entre os dois pode passar por mais de quatro repetidores 51 25

27 Codificação A Ethernet utiliza codificação Manchester +0,85V para sinal alto e 0,85V para sinal baixo Ethernet A Ethernet não utiliza a codificação binária direta (0V e 5V) devido a possibilidade de erro de interpretação Codificação (a) Binária, (b) Manchester, (c) Manchester diferencial 52 Formato de quadros Ethernet (a) DIX Ethernet, (b) IEEE

28 Formato de quadros Preâmbulo Ethernet Padrão de bits usado para sincronização Endereço de destino e de origem 48 bits Tipo Especifica que protocolo deve receber o quadro Dados Até 1500 bytes Preenchimento Usado para preencher o quadro até o tamanho mínimo (64 bytes) Total de verificação Código de hash de 32 bits dos dados 54 Ethernet Detecção de colisão Pode demorar até 2 Pior caso 50 s ou 512 bits 55 27

29 Algoritmo de recuo binário exponencial Ethernet Escolhido para se adapatar dinamicamente ao número de estações que estão tentando transmitir Depois da primeira colisão Cada estação espera por 0 ou 1 tempo de slot para tentar novamente Depois da segunda colisão Cada estação espera por 0, 1, 2 ou 3 Depois de i colisões Cada estação espera entre 0 e 2 i Depois de 16 colisões, desiste e informa o erro 56 Desempenho Ethernet Ethernet Eficiência da Ethernet a 10 Mbps com tempos de slot de 512 bits 57 28

30 Ethernet Ethernet comutada (switch) 58 Fast Ethernet (IEEE 802.3u) Produzir uma LAN mais rápida Rede Ethernet aperfeiçoada Compatível com as LAN Ethernet existentes Evitar problemas imprevistos Ethernet Concluir o trabalho antes que tecnologia mudasse A idéia básica foi reduzir o tempo de bit de 100ns para 10ns Possivel com a utilização de hubs e switches 59 29

31 Ethernet Fast Ethernet (cont.) Cabeamento original 60 Ethernet Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z) Todas configurações são ponto a ponto (a) Uma Ethernet com duas estações (b) Uma Ethernet com várias estações 61 30

32 Ethernet Gigabit Ethernet (cont.) Possui dois modos de operação Full duplex Utiliza um swithc central Não há disputa (o protocolo CSMA/CD não é usado) Half duplex Utiliza um hub É necessário o protocolo CSMA/CD Admite um controle de fluxo Quadro de controle especial transmitido para sinalizar uma pausa na transmissão 62 Gigabit Ethernet (cont.) Admite cabeamento de cobre e de fibra Ethernet 63 31

33 Subcamada de Controle de Enlace Lógico Padrão IEEE: 802 LLC (Logical Link Control) Oculta as diferenças entre os diversos tipos de redes 802, fornecendo um único formato e uma única interface com a camada de rede (a) Posição do LLC (b) Encapsulamento LLC 64 Comutação na Camada de Enlace Pontes Permitem conectar LANs Operam na camada de enlace de dados De modo ideal, devem ser transparentes 65 32

34 Comutação na Camada de Enlace Razões uma organização poder ter várias LANs Autonomia dos departamentos Dispersa geograficamente Acomodar a carga Distância física entre hosts Confiabilidade Segurança 66 Comutação na Camada de Enlace Pontes entre LANs 802.x e 802.y 67 33

35 Comutação na Camada de Enlace Problemas enfrentados pelas pontes Formato dos quadros 68 Comutação na Camada de Enlace Problemas enfrentados pelas pontes (cont.) Taxas de dados Tamanho máximo do quadro Segurança admite criptografia Ethernet não permite criptografia QoS permite este recurso Ethernet não possui nenhum conceito de QoS 69 34

36 Exemplo 4 LANs e 2 pontes Comutação na Camada de Enlace Roteamento de quadros: Se a LAN de origem e destino forem a mesma, o quadro será descartado Se a LAN de origem e destino forem diferentes, o quadro será encaminhado 70 Exemplo Pontes paralelas Comutação na Camada de Enlace 71 35

37 Exemplo Comutação na Camada de Enlace Árvore de amplitude (spanning tree) (a) LANs interligadas (b) Spanning tree LAN 72 Exemplo Pontes remotas Comutação na Camada de Enlace 73 36

38 Comutação na Camada de Enlace Dispositivos de interligação de redes Repetidores, hubs, pontes, switches, roteadores e gateways (a) Dispositivos x camada de atuação (b) Quadros e pacotes 74 Exemplos Comutação na Camada de Enlace (a) Hub (b) Ponte (c) Switch 75 37

39 LANs virtuais Comutação na Camada de Enlace Inicialmente, as topologias eram orientadas pela geografia Com o advento do 10Base-T e dos hubs, as topologias passaram a ser orientadas pela lógica (década de 1990) Os administradores passaram a agrupar os usuários em LANs de modo a refletir a estrutura organizacional As principais justificativas Segurança Carga Difusão 76 LANs virtuais (cont.) Exemplo Comutação na Camada de Enlace 77 38

40 LANs virtuais (cont.) Topologias lógicas Comutação na Camada de Enlace Configuradas manualmente no centro de fiação Administrador da rede Configuradas inteiramente por software VLAN (Virtual LAN) 78 VLAN Comutação na Camada de Enlace Baseadas em pontes e switches (a) Quatro LANs organizadas por duas pontes em duas VLANs (cinza e branco) (b) As mesmas redes organizadas por switches em duas VLANs 79 39

41 VLAN Comutação na Camada de Enlace Métodos de identificação de VLANs Por porta do dispositivo de enlace Pelo endereço MAC Pelo protocolo de camada 3 ou endereço IP 80 VLAN Comutação na Camada de Enlace Diferenciando VLANs por porta Todas as máquinas conectadas a uma porta pertencem à mesma VLAN DISPOSITIVO DE ENLACE HUB HUB G H A B C D E F 81 40

42 VLAN Comutação na Camada de Enlace Diferenciando VLANs por endereço MAC O dispositivo de enlace tem uma tabela com o endereço MAC de cada máquina conectada e a VLAN associada DISPOSITIVO DE ENLACE END. MAC COMPUTADOR 00005E00004e E00004f E00004e22 VLAN A B A 00005E00004e E00004e E00004f11 82 VLAN Comutação na Camada de Enlace Diferenciando VLANs pelo protocolo de camada 3 O dispositivo de enlace examina o campo da carga útil do quadro para classificar Todas as máquinas IP como pertencentes a uma VLAN Todas as máquinas AppleTalk como pertencentes a outra VLAN Estratégia é muito empregada quando a rede tem muitas máquinas são notebooks Principal desvantagem é a violação da independência das camadas 83 41

43 Padrão IEEE 802.1Q Comutação na Camada de Enlace Modificou o formato do cabeçalho padrão da Ethernet para suporte as VLANs Formato dos quadros (padrão) e 802.1Q 84 Comutação na Camada de Enlace Processo de transição para IEEE 802.1Q 85 42

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