Cap. 5 Nível Data-link. Data-link ou ligação de dados ou ainda o nível canal

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1 Cap. 5 Nível Data-link Data-link ou ligação de dados ou ainda o nível canal

2 Nota prévia A estrutura da apresentação é semelhante e utiliza algumas das figuras, textos e outros materiais do livro de base do curso James F. Kurose and Keith W. Ross, "Computer Networking Addison Wesley, Chap. 5 Data Link Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 2

3 Protocolos: aplicação, transporte, rede e data-link Messages, Segments, Packets and Frames HTTP HTTP message HTTP host host TCP TCP segment TCP router router IP IP packet IP IP packet IP IP packet IP Ethernet interface Ethernet interface SONET interface SONET interface Ethernet interface Ethernet interface Processamento de frames (ou tramas) no protocolo data-link (ou protocolo de ligação de dados) Ethernet frame SONET frame Ethernet frame Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 3

4 Organização do capítulo Objectivos e serviços do nível data-link Tratamento de erros Controlo de acesso ao meio (MAC) A rede Ethernet e suas variantes Endereçamento em LANs e interconexão de LANs Redes sem fios / Ethernet Sem Fios (802.11) Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 4

5 Organização do capítulo Objectivos e serviços do nível data-link Tratamento de erros Controlo de acesso ao meio (MAC) A rede Ethernet e suas variantes Endereçamento em LANs e interconexão de LANs Redes sem fios / Ethernet Sem Fios (802.11) Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 5

6 Interfaces físicas de comunicação Nível data-link é implementado na interface de rede ( adaptor ou NIC) Ethernet card, PCMCI card, WI-FI card, Emissor (nó: router ou host): Emissor pacote frame interface Encapsula pacotes em frames Acrescenta: error checking bits, endereços, etc. Protocolo data-link Acesso ao Meio Receptor (nó: router ou host) frame interface Controla os erros, etc. Receptor Extrai pacote e entrega ao nível rede Interface é semi-autónoma Implementa os níveis data-link e físico Emissores e receptores são nós adjacentes : canal de ligação PtP Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 6

7 Serviços providenciados Codificação (representação/suporte da informação no nível físico) Representação da sequência de 0s e 1s Framing (delimitação dos frames e sincronização) Encapsulamento do pacote num frame e juntar o cabeçalho e o sufixo (trailer) Utilizar o endereçamento de nível canal (MAC addresses) Controlo de acesso ao meio (MAC protocol) Controlo de acesso no caso de links PtP Controlo de aceso no caso de meios partilhados (ex., Ethernet tradicional) Fiabilidade ao nível data-link (nem sempre disponível) ACKs, retransmissões. Vantagens? Controlo de fluxo (nem sempre disponível) De forma a que emissores rápidos não afoguem receptores lentos (PtP) Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 7

8 Serviços providenciados Controlo e detecção de erros Os erros são causados pela atenuação do sinal e pelo ruído. O receptor deve detectar os erros Detecção de erros Mecanismos de detecção de erros Correcção de erros (FEC Forward Error Correction) (nem sempre está disponível) O receptor corrige os erros sem retransmissão (quando um canal tem uma elevada taxa de erros, o protocolo do nível canal pode incluir mecanismos de correcção de erros os quais requerem códigos com elevada redundância) Permite reduzir retransmissão de pacotes sempre que as frames possam ser auto-corrigidas pelo receptor (redução de custos RTT ex., RealTime Apps) Controlo para suporte Half Duplex ou Full Duplex (disponível de acordo com o modo em cada caso ou tecnologia) Multiplexagem PtP da direcção dos fluxos num mesmo canal Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 8

9 Codificação O sinal propaga-se pelo meio físico (canal ou link) Emissor codifica bits no sinal Receptor descodifica o sinal e reconhece os bits Simplificando (aspectos de Telecomunicações ) Dois sinais discretos, Alto e Baixo (com margem de ruído definida) Ex., duas voltagens diferentes (alta = 1 e baixa = 0 ) Margem de Ruído Margem de Ruído Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 9

10 Forma de onda (ex. de sinal ethernet (802.3) AUI Tx Port: sinal antes de filtrar e amplificar Sinal entregue no AUI Rx Port, depois de desmodular e filtrar Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 10

11 Problema: sincronização da amostragem Sincronização entre o emissor e o receptor Codificação (amostragem) com base nas transições do sinal Ex., transição baixo-alto: 1 ; transição baixo-alto: 0 Ex., transição alto-baixo: 1 ; se não há transição (bias): 0 Exemplos: NRZ - Non Return to Zero NRZI - Non Return to Zero Inverted Manchester Encoding (ou Phase Encoding) Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 11

12 NRZ, NRZ-LEVEL e NRZ-SPACE NRZ NRZ LEVEL Unipolar: alto = 1, bias = 0 Bipolar: alto = 1, baixo = 0 Ex: RS-232 usa NRZ LEVEL 1: -5 a -12 V 0: +5 a +12 V NRZ SPACE Change = 0, Non-Change = 1 Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 12

13 NRZI Variante NRZI Em modo 0: 1: transição 1 para 0 0: sem transição Em modo 1 1: transição de 0 para 1 0: sem transição Ex., HDLC High-Level Data Link Control Ex., USB Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 13

14 Manchester Encoding ou Phase Enconding Cada bit transmitido (e lido) numa slot de tempo fixa ("periodo"). 0 é expresso por uma transição baixo-alto 1 é expresso por uma transição alto-baixo (G.E. Thomas' convention) Na convenção adoptada a norma IEEE é o contrário Amostras tiradas no meio do período / relogio ajustado pelo histórico de transições Transições no início de um período não são consideradas Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 14

15 Problema: sincronização da amostragem com base nas transições de sinal Transições permitem ao receptor ir acertando o relógio O receptor guarda a média do sinal recebido Usa a média para distinguir alto de baixo Com sequências longas do mesmo sinal torna-se sensível a pequenas variações tornando difícil sincronizar o relógio Soluções: Introduzir marcas de sincronização: RLL (Run Length Limited, Bit- Stuffing) Introdução de sentinelas ou flags + delimitação das frames ou tramas de codificação Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 15

16 Framing (tramas de enquadramento) Organizar as sequências de bits em frames Flags or Sentinel-based (tramas com preâmbulo) Frame enquadrado por uma sequência especial funcionando como preâmbulo de sincronização (e.g., ) Frame contents Problema: e se a flag ocorre na parte de dados? Solução: usar técnicas de excepção (escaping com bit-stuffing) O emissor insere um 0 sempre que ocorrem 5 1s seguidos e o receptor remove sempre o 0 que aparece a seguir a 5 1s seguidos Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 16

17 Framing (Continuação) Baseado num preâmbulo e um contador pelo que não necessita de excepções no payload O tamanho do payload é colocado no cabeçalho (ao invés da delimitação com nova flag no fim) Problema: e se o cabeçalho fica corrompido? O receptor pode interpretar o erro formando um frame sem sentido Solução: detectar pelo processamento de controlo de erros Sincronizar quando encontrar a nova flag ou preâmbulo do início Baseado na codificação do sinal ou no relógio Ínício de frame é assinalado por uma sinal especial ou pela alternância entre ausência de sinal e a presença de sinal Preâmbulo com vários bytes para garantir a sincronização Ou, cada frame é de uma dimensão fixa o que pode revelar-se um desperdício mas é simples de implementar e processar Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 17

18 Organização do capítulo Objectivos e serviços do nível data-link Tratamento de erros Controlo de acesso ao meio (MAC) A rede Ethernet e suas variantes Endereçamento em LANs e interconexão de LANs Redes Ethernet sem fios Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 18

19 Detecção de erros EDC= Bits de Error Detection and Correction (bits redundantes) D = Dados protegidos (inclui os cabeçalhos) A detecção de erros não é 100% fiável Pode não detectar alguns erros mas com probabilidade tão baixa quanto se pretenda Quanto maior for o campo EDC menor é essa probabilidade Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 19

20 Sistemas baseados em paridade Paridade com 1 bit: Detecta erros de 1 bit Detecção de erros (1 bit) no payload mas tb nos próprios bits de paridade de uma frame Não detecta qq combinação de dois erros na mesma frame Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 20

21 Sistemas baseados em paridade Paridade com 1 bit: Detecta erros de 1 bit Bits de paridade a duas dimensões: Detectam e corrigem erros de 1 bit Detecção e correcção de Erros (bits) no payload Mas tb nos próprios bits de paridade 0 0 Detecta, mas não corrige qq combinação de dois erros na mesma frame Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 21

22 CRC - Cyclic Redundancy Check (CRC ou Polynomial Codes) Aproximação: interpretar os dados como um número inteiro: número D Incluir um código de redundância (CRC) de r bits: número R Escolher um padrão especial de r+1 bits chamado gerador, número G Objectivo: escolher R, tal que: <D,R> é exactamente divisível por G (módulo 2) O receptor conhece G, divide <D,R> por G. Se o resto for diferente de 0: erro detectado! Permite detectar todos os erros do tipo burst de comprimento até r+1 bits seguidos, assim como todos os erros envolvendo um número ímpar de bits. Consegue ainda detectar erros de comprimento maior que r com a probabilidade 1-0,5 r Cálculo de CRC usado actualmente por quase todos os protocolos data-link, ex.; Ethernet, ATM, HDLC, PPP, Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 22

23 Cálculo exemplo de CRC: exemplo simples: Frame: , CRC de 3 bits, G: <--- input left padded with <--- divisor <--- resultado da divisão 1011 <--- shift divisor à direita... XOR se MSB= e repetir até todos os bits da frame serem Teremos então o resto (neste caso a 3 bits) que será usado como CRC <---resto (3 bits) Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 23

24 Cálculo do valor G O cálculo de um bom valor para G é uma das partes mais importantes num algoritmo para CRC, pois o polinómio que dele deriva deve permitir maximizar a detecção de erros ao mesmo tempo que minimiza a probabilidade de ocorrência de colisões O tamanho do polinómio também é importante: dado pelo maior degree(exponent) + 1, pois influencia directamente o tamanho do valor do CRC CRC-8 => 9 bits, CRC-16 => 17 bits, CRC32 => 33 bits, CRC-64=>65 bits Etc... CRC-32-IEEE x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 (V.42, Ethernet, SATA, MPEG-2, PNG,[22] POSIX cksum) 0x04C11DB7 / 0xEDB88320 / 0x82608EDB Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 24

25 CRC - Cyclic Redundancy Check (Cálculo do CRC ou Polynomial Codes) Cada bit stream da frame vista como um polinómio com coeficientes 0 e 1 Operações sobre a frame interpretadas como operações de aritmética polinomial D (d bits) R+1 bits R (r bits) dados G=f(D,R) 1 D. 2 R r = resto de [ ] G Pretende-se que: D. 2 r XOR R = ng D. 2 r = ng XOR R Equivalente ao cálculo: ng = se se dividir D. 2 r por G, deve-se obter o resto R Ex: Ethernet: valores pré-fixados para gerador G: Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 25

26 Organização do capítulo Objectivos e serviços do nível data-link Tratamento de erros Controlo de acesso ao meio (MAC) A rede Ethernet e suas variantes Endereçamento em LANs e interconexão de LANs Redes Ethernet sem fios Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 26

27 Canais ponto a ponto e multi-ponto Exemplos de canais ponto a ponto PPP para acesso dial-up Canal ponto a ponto entre um switch Ethernet e um host Canais multi-ponto geralmente baseados em difusão - broadcast (shared wire or shared medium) Ethernet tradicional wireless LAN Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 27

28 Canais multi-ponto Este tipo de canais são usados com muita frequência em redes locais LAN ( Local Area Networks ) Podem usar suportes guiados ( fios ) ou não guiados ( atmosfera ) Todas as tecnologias para canais multi-ponto exigem um meio de escalonar o acesso ao suporte da transmissão (MAC - Medium Access Control) Geralmente, o tipo de serviço oferecido é permitir o envio simples de datagramas (encapsulados nas frames) ponto a ponto ou multi-ponto (multicasting) com elevada probabilidade de entrega Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 28

29 Protocolo de Controlo de Acesso ao Meio Canal broadcast simples partilhado Tem de se evitar ter vários emissores simultâneos (colisões) Se existem colisões os dados ficam distorcidos MAC Multiple Access Protocol Deve ser um algoritmo distribuído para partilha do canal O algoritmo tem que fornecer um mecanismo de arbitragem ou coordenação (controlo de acesso ao meio) Classes de técnicas Partilha do canal: divide o canal em partes (TDMA vs. FDMA) Um emissor de cada vez: usae um árbitro ou um testemunho que circula e dá o direito de emitir Acesso aleatório: se houver colisão, tentar de novo Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 29

30 Subdivisão do canal: TDMA TDMA: time division multiple access Acesso ao canal por "rondas Cada estação tem uma parte fixa em cada ronda Como distribuir as SLOTs temporais? O tamanho do time slot determina o pacote que pode ser transmitido Os slots sem utilização são desperdiçados Exemplo: LAN com 6 estações com os slots 1, 3 e 4 ocupados e os restantes desperdiçados Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 30

31 Subdivisão do canal: FDMA FDMA: frequency division multiple access O espectro do canal é dividido em bandas de frequências Cada estação recebe a sua frequência As frequências sem utilização são desperdiçados Exemplo: LAN com 6 estações com as frequências 1, 3 e 4 ocupadas e as restantes desperdiçadas frequency bands time Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 31

32 MAC Protocols - Afectação de vez Polling Uma estação mestra convida cada uma das outras estações a transmitir Funciona como árbitro Problemas: Polling overhead Latência Ponto de falha centralizado (estação mestra) Token passing Um token de controlo passado de uma estação para a outra O token é uma mensagem especial Problemas: Token overhead Latência Ponto de falha centralizado (estação que detém o token) Como combater os problemas? - Protocolos de acesso aleatório (mecanismos probabilísticos) Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 32

33 Protocolos de acesso aleatório Quando uma estação tem um frame para transmitir Transmite à capacidade máxima do canal Não existe coordenação a priori entre estações Se duas ou mais transmitem simultaneamente colisão Um protocolo MAC aleatório tem que especificar: Como detectar as colisões: (collision-detection) Como evitar ou recuperar das mesmas: (collision-free) Exemplos ALOHA vs. Slotted ALOHA CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 33

34 Ideias base do acesso aleatório CSMA CSMA - Carrier sense (detecção do sinal) Ouvir antes de falar e não interromper Isto é, testar se alguma estação está a transmitir e esperar até que essa transmissão termine CD - Detecção da colisão Se alguém começar a falar ao mesmo tempo cala-se Se se detectar que outra estação/interface está a transmitir (dado o sinal estar distorcido), parar imediatamente Acesso com aleatoriedade (BackOff) Não comece a falar imediatamente Cada estação/interface espera um pequeno compasso de espera aleatório antes de tentar outra vez: BackOff Como estimar o BackOff? Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 34

35 Colisões em CSMA (simples) As colisões podem ainda ocorrer: O Tempo de propagação faz com que duas estações possam não se aperceber de que ambas estão a transmitir Em caso de colisão: Todo o tempo de transmissão do frame foi desperdiçado É pois necessário adicionalmente que se possa fazer a detecção da colisão Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 35

36 CSMA/CD Collision Detection Meio livre Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 36

37 CSMA/CD (Collision Detection) CSMA/CD: carrier sensing As colisões são detectadas rapidamente Em caso de colisão, parar imediatamente de transmitir Detecção das colisões Fácil nas redes baseadas em fios Difícil nas redes sem fios (comunicação por rádiofrequências) porquê? Obstáculos / Assimetrias / Distância vs. Potência do Sinal Problema do terminal escondido Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 37

38 Em resumo: 3 formas de partilhar o meio Protocolos MAC baseados na subdivisão estática do canal Partilham o canal eficientemente se a carga é elevada Ineficientes com carga baixa: compasso de espera, 1/N da capacidade afectada mesmo quando uma só estação está activa Protocolos MAC afectação à vez Eliminam slots vazios sem provocarem colisões Mas são vulneráveis a falhas (usam mecanismos centralizados) Protocolos MAC baseados em aleatoriedade Eficientes se a carga é baixa: um só nó pode usar todo o canal Com carga alta: muito overhead devido às colisões exigem mecanismos CD ou CA que minimizem o problema Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 38

39 Organização do capítulo Objectivos e serviços do nível data-link Tratamento de erros Controlo de acesso ao meio (MAC) A rede Ethernet e suas variantes Endereçamento em LANs e interconexão de LANs Redes Ethernet sem fios Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 39

40 O canal Ethernet (IEEE 802.3) É a tecnologia dominante nas LAN: Pouco dispendiosa e muito popular Mais simples do que as outras alternativas Não pára de evoluir: 10, 100, 1000 Mbps (1 Gbps), 10 Gbps,... Os Switches Ethernet transformam-na numa rede completa e mais abgrangente O diagrama inicial do inventor da Ethernet: Metcalfe s Ethernet Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 40

41 Ethernet clássica e meios físicos >>> bus baseado em cabo coaxial (já não é muito comum) 10 Base 2, 10Base 5 10, 100, 1000, 10GBase T (sobre UTP cat. 5 ou 5e, 6 ou 7) Hub (repetidor para cabo UTP) Repetidor (já não é comum) terminador Terminador Coax + BNC Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL RJ45 O nível data-link / 41

42 Tecnologia Ethernet: 10Base2, 10Base5 10: 10Mbps; Base: Baseband, 2 ou 5 cablagens entre 200 metros a 500 distância máxima do cabo Cabo coaxial fino (10base2) ou grosso (10base5) numa topologia dita em bus Usam-se repetidores para ligar vários segmentos Repetidor: repete os bits recebidos numa interface nas outras interfaces; trata-se de um dispositivo que actua ao nível físico Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 42

43 10BaseT, 100BaseT a 1000BaseT 10GBaseT 10BaseT (10 Mbps), 100Base T (100 Mbps, tecnologia designada fast ethernet ) T significa Twisted Pair Tem um Hub central e uma configuração em estrela Um hub é um repetidor do nível físico Mas no centro da estrela pode haver um switch Gigabit Ethernet (alias 802.3z) Extensão da norma 10/100 Mbits Compatibilidade Adopção do formato de framing Topologia Pto a Pto (switched) ou Difusão (hub como buffered distributors ) Diferentes meios físicos (distâncias de cobertura, eficiência, jumbo-frames) Operação Full-Duplex a 1Gbps em ambas as direcções Hub ou Switch twisted pair Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 43

44 Transceivers, Hubs ou Repetidores vs. Switches Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 44

45 Ethernet e ligação em Fibra Óptica: Ex: 1000BASE FX, SX, BX Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 45

46 Ex: DI Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 46

47 Equipamentos e seu funcionamento: Funcionalidade vs. níveis de operação na pilha Transceivers, Repeaters, Hubs Nível físico Switches Ethernet Nível Data-Link Cada porta liga uma interface Comutação com base no MAC Address destino Isolamento: comutação por cada MAC com possível filtragem Como saber em qual porta está um dado MAC-Address Por ARP? Por auto-aprendizagem de endereços origem Multi-Layering Stackable Switching - Spanning Trees Cálculo (com updating) de uma árvore distribuída com todos os vértices alcançados pela menor quantidade de arcos a partir de uma raíz Switch Routers ou simplesmente Routers Nível Data-Link + Nível Rede (IP/Ethernet Switches) Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 47

48 Os frames Ethernet Nº de bytes 48 bits 48 bits a a 46 4 Preâmbulo Dados Pading Checksum Início do frame Endereços origem e destino Dimensão dos dados ou protocolo >>> Preâmbulo: 7 bytes com o padrão seguidos de um byte com o padrão Este preâmbulo serve para sincronizar os relógios do emissor e do receptor para iniciarem a amostragem (início de frame, 802.3: ) Endereços: 6 bytes cada, os frames são recebidos por todas as interfaces numa mesma rede mas são suprimidos se o endereço não é o endereço do receptor (ou um endereço de multicasting / broadcasting ) Tipo: indica o protocolo do nível superior (IP, ARP, Novell IPX, AppleTalk,...) ou a dimensão em bytes da parte de dados CRC: testado pelo receptor; se está errado o frame é suprimido Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 48

49 Princípios de funcionamento (CSMA/CD) CS Carrier Sense - se o canal estiver livre, uma estação pode começar a transmitir MA Multiple Access (Broadcasting) - quando uma estação transmite, todas as outras recebem o sinal emitido; só aquela a quem o frame se destina, o regista; as outras ignoram-no; um endereço especial indica que o frame se destina a todas as estações CD Collision Detection - uma estação que está a transmitir recebe também o sinal que está a emitir, o que lhe permite detectar uma colisão; neste caso deixa de transmitir e transmite um jaming signal para que a colisão seja rapidamente detectada por todas as outras estações Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 49

50 Algoritmo CSMA/CD na Ethernet A: sense channel, if idle then { transmit and monitor the channel; If detect another transmission then { abort and send jam signal; update # collisions; delay as required by exponential backoff algorithm; goto A } else {done with the frame; set collisions to zero} } else {wait until ongoing transmission is over and goto A} Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 50

51 Ocupação do meio de transmissão CSMA - Carrier Sense Multiple Access CD - Collision Detection Transmission period Contention period Idle period Frame Frame Frame Frame Contention slots Tempo dividido em slots Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 51

52 Colisões e tempo de propagação: Implicações? tempo p - tempo de propagação ou worst case transmission path delay. t A B A colisão é detectada por B B t+p A B a colisão é detectada por A só t+2p depois t+2p A B Tem que haver uma dimensão mínima para a frame!!! Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 52

53 Binary Exponential Backoff O tempo é dividido em slots de dimensão superior a 2p slots designados por collision windows ou collision slots. Na norma IEEE o collision slot vale 51,2 micro segundos ou 512 bits a 10 Mbps. Valor característico de um canal a 10 Mbps com metros e 4 repetidores no máximo (nanal pode levar até 1024 hosts). Cada frame tem de ter um mínimo de 512 bits ou 64 bytes, daí o campo de pading para o caso em que os dados são inferiores Em caso de colisão, cada estação espera um número aleatório N de collison slots. N é gerado no intervalo 0 a 2 n -1, em que n toma valores 0, 1, 2, 3,, 10 e é o número de tentativas de resolução da colisão. Na primeira tentativa espera-se 0 ou 1 slots. Na segunda, 0, 1, 2 ou 3 slots. Na décima, esperam-se 0, 1, 2, 3, 1023 slots. Depois de 16 tentativas considera-se que há erro e o frame é rejeitado. Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 53

54 Observações (1) Jam Signal assegura que todos os emissores detectam a colisão: 48 bits; Exponential Backoff Objectivo: adaptar o compasso de espera à carga actual da rede; se a carga é elevada, o intervalo tem de ser superior Primeira colisão: escolher K em {0,1}; o compasso de espera é K x o tempo de transmissão de 512 bit Segunda colisão: escolher K em {0,1,2,3} Depois de 10 ou mais colisões: escolher K em {0,1,2,3,4,,1023}... Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 54

55 Observações (2) Caso o intervalo usado para gerar números aleatórios fosse 0 a 1023 em todas as circunstâncias, a probabilidade de 2 estações colidirem uma segunda vez seria geralmente baixa mas provocaria uma espera inutilmente prolongada no caso geral. Por outro lado, se 100 estações a tentarem transmitir gerassem números aleatórios no intervalo 0 a 1, para que a colisão fosse resolvida era necessário que saísse 1 em 99 delas e 0 na outra. O algoritmo tal como está definido tenta adaptar -se à situação real de carga típica do canal. Mantendo a mesma dimensão máxima da rede, mantém-se a duração do collision slot. Se pretendermos introduzir um canal ethernet a maior velocidade, o menor frame possível seria de 640 bytes para um canal a 100 Mbps e de 6400 bytes para um canal a 1 Gbps. A outra opção é baixar a distância máxima de forma a manter o collision slot em termos de bits, mas diminuí-lo em termos de duração temporal Esta opção foi seguida na norma Fast Ethernet, que corresponde a um canal ethernet que funciona a 100 Mbps, com a distância máxima de 200 metros para que o mais pequeno frame continue a ser de 64 bytes. Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 55

56 Organização do capítulo Objectivos e serviços do nível data-link Tratamento de erros Controlo de acesso ao meio (MAC) A rede Ethernet e suas variantes Endereçamento em LANs e interconexão de LANs Redes Ethernet sem fios Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 56

57 Os endereços nas LAN Cada placa tem um endereço do nível MAC que se pretende único Endereços de 48 bits Material de suporte às aulas de Redes de Computadores de J. Legatheaux Martins Copyright DI - FCT/ UNL O nível data-link / 57

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