Camada da ligação de dados

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1 Camada da ligação de Serviços fornecidos pela camada de ligação de Detecção e correcção de erros Controlo de erros e de fluxo Acesso múltiplo e LANs Endereçamento na camada de ligação de Tecnologias da camada de ligação de Ethernet, IEEE Token ring (IEEE 802.5) IEEE 802.1D IEEE PPP ATM Camada da ligação de 1 Serviços da camada de ligação de Delimitação de tramas Acesso múltiplo, medium access control (MAC) Controlo de erros Detecção de erros Correcção de erros Transferência fiável Controlo de fluxo Modo de transmissão: half-duplex; full-duplex aplicação transporte rede físico rede físico rede físico rede físico rede físico rede físico rede físico rede físico rede físico aplicação transporte rede físico Camada da ligação de 2

2 Implementação da camada de ligação de Funcionalidade implementada em cartas; Network Interface Cards (NICs) RAM DSP Interface com o barramento no nó Interface com a ligação Exemplos: PCMCIA; Ethernet Barramento I/O do nó Interface de barramento Interface de ligação Camada da ligação de 3 Detecção de erros Protecção dos e cabeçalho das tramas Introdução de bits de redundância nas tramas para detecção de erros Métodos de detecção de erros Bit de paridade Paridade a duas dimensões Soma de verificação (checksum) Código cíclico de verificação (Cyclic Redundancy Check Code, CRC) Há sempre a possibilidade de haver erros não detectados Camada da ligação de 4

3 Detecção de erro por paridade Bit de paridade Detecta um número ímpar de bits errados Paridade a duas dimensões Bit de paridade horizontal Palavra de paridade na vertical Corrige um bit Garante a detecção de um máximo de três bits errados Camada da ligação de 5 Código cíclico de verificação Polinómio gerador de grau r Mensagem de m bits é interpretada como sendo um polinómio M(x) de grau inferior a m Cálculo do CRC Dividendo é x r M(x) Divisor é G(x) Divisão módulo 2 produz resto R(x), de grau inferior a r Mensagem transmitida é T(x) = x r M(x) + R(x) Notar que T(x) é divisível por G(x) Detecção de erros Se a mensagem recebida for divisível por G(x) então não há erros detectáveis Camada da ligação de 6

4 1101 G(x) = x 3 + x M(x) = x 7 + x 4 + x 3 + x x 3 M(x) = x 10 + x 7 + x 6 + x R(x) = x CRC: exemplo x 3 M(x) + R(x) = x 10 + x 7 + x 6 + x 4 + x Camada da ligação de 7 CRC: propriedades Mensagem recebida é T(x) + E(x), em que E(x) é o padrão de erros Padrão de erros é detectado se e só se E(x) não é divisível por G(x) Erros simples são detectados, se G(x) tiver mais do que um termo Número ímpar de erros são detectados, se G(x) tiver x + 1 como factor Rajadas de erros de comprimento inferior ou igual a r são detectadas, se G(x) tiver grau r e incluir o termo 1 Rajadas de erros de comprimento r + 1 só não são detectadas com probabilidade 1 / 2 r 1, se G(x) tiver grau r e incluir o termo 1 Camada da ligação de 8

5 CRC: implementação em hardware CRC é fácil de implementar em hardware recorrendo a registos de deslocamento (RD) G(x) = x 3 + x x 2 x 1 FF XOR FF FF XOR Camada da ligação de 9 Acesso múltiplo Meio de comunicação partilhado entre vários nós Protocolos de acesso múltiplo coordenam a transmissão de tramas dos vários nós Protocolos de atribuição fixa TDMA FDMA CDMA Protocolos de acesso aleatório ALOHA CSMA; CSMA/CD Protocolos de atribuição dinâmica Passagem de testemunho Camada da ligação de 10

6 ALOHA Nós transmitem as tramas ao débito do canal Colisão Sobreposição de duas ou mais tramas na recepção Em geral, todas as tramas envolvidas numa colisão são perdidas Nó envia uma trama para o canal Se a trama for perdida, o nó calendariza a retransmissão da trama para um instante futuro, escolhido aleatoriamente retransmissão retransmissão Tempo na recepção duração da colisão Camada da ligação de 11 Processo de Poisson Processo de Poisson de parâmetro g Média de g acontecimentos por unidade de tempo Número de acontecimentos num qualquer intervalo de duração t é dado por uma distribuição de Poisson P{ k chegadas } = ( gt ) k Intervalos entre acontecimentos sucessivos são por variáveis aleatórias i.i.d. com distribuição exponencial negativa k! e -gt P{ tempo entre acontecimentos sucessivos > t } = e -gt Camada da ligação de 12

7 ALOHA: modelo Tramas com L bits Canal de R bits/s Processo de Poisson de parâmetro g descreve a geração de tramas, novas mais retransmissões Taxa média de chegada de tramas por tempo de transmissão de tramas é G = gl/r Uma colisão de tramas destrói todas as tramas nela envolvidas Pretende-se determinar a utilização do canal, S Camada da ligação de 13 ALOHA: utilização Probabilidade de uma trama ser recebida com sucesso P{ trama recebida com sucesso } = e 2G Utilização do canal Período vulnerável: uma outra trama transmitida neste período destrói a trama de teste S = Ge 2G Utilização máxima do canal S max = 1/( 2e ) = 18 % Camada da ligação de 14

8 ALOHA sincronizado Nó 1 Nó 2 Nó 3 Tempo dividido em slots Estações iniciam uma transmissão no início de uma slot Utilização do canal S = Ge G Utilização máxima do canal S max = 1/e = 36 % Camada da ligação de 15 Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Nó escuta o canal antes de iniciar a transmissão de uma trama Se o canal estiver ocupado, adia a transmissão da trama Se o canal estiver livre, inicia de imediato a transmissão da trama CSMA persistente Quando o canal está ocupado, o nó transmite a trama logo que ele fique livre CSMA não-persistente Quando o canal está ocupado, o nó calendariza a transmissão da trama para daí a um tempo futuro, escolhido aleatoriamente Camada da ligação de 16

9 Colisões em CSMA Colisões devidas ao atraso de propagação entre estações Tramas envolvidas numa colisão são perdidas Duração da colisão depende sobretudo da trama maior A B C Camada da ligação de 17 CSMA/Collision Detect (CSMA/CD) Nós envolvidos numa colisão abortam as suas transmissões assim que detectam uma colisão Melhor utilização do canal do que CSMA Detecção de colisões Fácil em redes cabladas Difícil em redes sem fios Detecção da colisão A B C Detecção da colisão Camada da ligação de 18

10 Protocolos de atribuição dinâmica Testemunho circula entre os nós Nó detém o testemunho Tem acesso exclusivo ao canal Pode transmitir um número máximo, pré-acordado, de tramas Depois de usar o canal tem que passar o testemunho ao próximo nó Protocolos de atribuição dinâmica vs. protocolos de acesso aleatório Protocolos de atribuição dinâmica permitem uma melhor utilização do canal Protocolos de acesso aleatório impõem atrasos menores em cargas baixas Protocolos de atribuição dinâmica requerem gestão do testemunho Protocolos de acesso aleatório têm que ser controlados contra comportamentos instáveis Camada da ligação de 19 Endereçamento em LANs Endereços IP, camada de rede Servem para expedir um datagrama com destino numa qualquer rede IP Hierárquicos Não são portáveis 32 bits Endereços físicos (ou endereços MAC), camada da ligação de Servem para expedir uma trama com destino na mesma rede IP Horizontais Portáveis 48 bits Camada da ligação de 20

11 Expedição de tramas MAC destino MAC origem 1A-23-F9 5C-66-AB CD-06-9B B1 IP IP origem destino A consulta uma tabela para fazer a tradução (Endereço IP, Endereço MAC) A encapsula o datagrama numa trama MAC Endereço IP Endereço MAC Tempo A-23-F9-CD-06-9B 20: E6-E BB-4B 22:32 A B 1A-23-F9-CD-06-9B 5C-66-AB B1 E6-E BB-4B Camada da ligação de 21 Address Resolution Protocol (ARP) A sabe o endereço IP de B e pretende saber o seu endereço MAC A difunde uma trama ARP de interrogação contendo o endereço IP de B Trama é recebida por todas as interfaces na LAN B reconhece o seu endereço IP na trama ARP de interrogação e responde a A com uma trama ARP de resposta que contem o seu endereço MAC B fica a saber o par (Endereço IP de A, Endereço MAC de A) A recebe a trama ARP de resposta e guarda em memória o par (Endereço IP de B, Endereço MAC de B) Os pares (Endereço IP, Endereço MAC) são datados Camada da ligação de 22

12 Diagrama temporal A R E A R ARP interrogação Trama de ARP resposta E ARP interrogação ARP resposta Trama de Camada da ligação de 23 Ethernet: anatomia das tramas End. End. Preambulo Tipo Dados CRC destino origem Preambulo: 7 bytes, cada da forma , seguido do byte Endereços: Bit I/G; organização; série Tipo: chave de desmuliplexagem Dados: MTU entre 46 e 1500 bytes; enchimento CRC: 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 Camada da ligação de 24

13 Ethernet: acesso ao meio Canal livre durante 96 bits Transmite trama Detecta colisão Aborta transmissão Reforça colisão durante 32 bits Espera k x 512 bits Recuo binário exponencial truncado Na n-ésima colisão, o nó escolhe aleatoriamente para k um número natural entre 0 e 2 min(n, 10) 1 Camada da ligação de 25 Ethernet: tecnologias 10BASE2 (802.3a-1985) Cabo coaxial fino Distância máxima sem repetidores é 185 m 10BASE-T (802.3i-1990), 100BASE-T (802.3u-1995) Pares entrelaçados Nós estão fisicamente ligados a hubs Distância máxima do nó ao hub é 100 m 100BASE-FX Como 100BASE-TX mas os cabos são em fibra óptica 1000BASE-T (802.3ab-1999) Usada sobretudo em modo full-duplex A distância máxima de um domínio de colisão é de 256 bits para o funcionamento correcto do CSMA/CD Camada da ligação de 26

14 Anel de testemunho: anatomia das tramas SDACED End. End. SDACFC Dados CRC EDFS destino origem SD e ED delimitam a trama AC (Access Control) Contem o bit de testemunho Bits de reserva, prioridade e monitorização FC (Frame Control) FS (Frame Status) Indica, por exemplo, se o destino recebeu a trama Camada da ligação de 27 Anel de testemunho: acesso ao meio Testemunho tem que caber no anel Nó pode enviar trama quando reconhece o testemunho Nó que envia trama é que a retira do anel Nó que envia a trama repõe o testemunho Após envio Após recepção Camada da ligação de 28

15 Hubs e comutadores Hubs Repetidores: aumento a distância máxima entre nós Interligação de segmentos num único domínio de colisão Hubs inteligentes Capacidade de gestão e monitorização de portos Hubs com capacidade de armazenamento Ligações full-duplex Armazenamento de tramas, não há colisões Comutadores, pontes Filtragem de e expedição selectiva de tramas Aprendizagem de endereços, transparência Algoritmo de árvore abrangente (802.1D) Camada da ligação de 29 Aprendizagem Comutadores: filtragem, expedição e aprendizagem recebe trama <ED, EO, Trama> no porto p if EO in tab(q) para algum q retira EO de tab(q) adiciona EO a tab(p) if ED not in tab(p) if ED in tab(q) para algum q envia <ED, EO, Trama> por q else for all x!= p envia <ED, EO, Trama> por x Expedição selectiva EO endereço origem ED endereço destino tab(p) tabela de endereços associados ao porto p Filtragem Camada da ligação de 30

16 Interligação de comutadores Múltiplos caminhos entre nós aumenta fiabilidade Múltiplos caminhos podem gerar ciclos e um número exponencial de cópias Organização dos comutadores numa árvore abrangente Como determinar uma árvore abrangente? Escolhendo um nó raíz e usando vector distância Como determinar o nó raíz? Por eleição distribuída comutador hub hub hub comutador Camada da ligação de 31 Algoritmo de árvore abrangente comutador comutador hub porto raíz porto designado porto bloqueado hub hub hub hub Bridge Protocol Data Unit (BPDU) ID da raíz Distância até à raíz ID do comutador comutador Camada da ligação de 32

17 Encaminhadores vs. comutadores Ambos são dispositivos de store-and-forward Encaminhadores Camada de rede Encaminhamento baseado em caminhos mais curtos Altera os endereços MAC das tramas que os atravessam Protecção contra tempestades de difusão Comutadores Camada de ligação de Encaminhamento suportado em árvore abrangente Não alteram os endereços MAC das tramas que o atravessam Não protegem contra tempestades de difusão Camada da ligação de 33 Redes sem fios IEEE IEEE b 2.5 GHz Até 11 Mbps DSSS IEEE g 2.5 GHz Até 54 Mbps DSSS/OFDM IEEE a 5 Ghz Até 54 Mbps OFDM Camada da ligação de 34

18 Arquitecturas Rede estruturada Rede ad hoc Camada da ligação de 35 IEEE : CSMA/CA Canal livre durante DIFS Transmite trama Espera pelo ACK Canal ocupado Escolhe aleatoriamente um período de tempo Transmite depois do canal ter estado livre durante esse período de tempo Não recepção do ACK Recuo binário exponencial truncado DIFS A ACK B SIFS Camada da ligação de 36

19 Nós escondidos Nós A e C não se conseguem escutar mutuamente B está ao alcance de A e C Transmissão de A não inibe transmissão de C e vice-versa CSMA degenera em ALOHA puro! A B Colisão C D obstáculo Camada da ligação de 37 RTS-CTS Mini-trama Request-to- Send Contém tamanho da trama de Inibe nós na vizinhança da origem Mini-trama Clear-to-Send Contém tamanho da trama de Inibe nós na vizinhança do destino Trama de ACK A B obstáculo RTS CTS Trama de ACK C D Camada da ligação de 38

20 Point to Point Protocol (PPP) Ligação entre dois nós Ex: ligação ao ISP via interface série e modem Formatação das tramas Delimitação de tramas e justificação da informação Detecção de erros Protocolo de controlo da ligação Manutenção ligação Negociação de parâmetros Protocolos de controlo da camada de rede Várias camadas de rede são suportadas Negociação de parâmetros, ex: Endereço IP, Camada da ligação de 39 PPP: anatomia das tramas 1 ou 2 2 ou 4 Del. End. Cont. Proto. Dados FCS Del. Delimitador: Endereço: Controlo: Protocolo: chave de desmultiplexagem, Ex: PPP-LCP, IP, IPCP FCS: Sequência de verificação Camada da ligação de 40

21 Justificação de byte Dados podem conter o padrão do delimitador, Nos, o padrão do delimitador deve ser precedido por um byte de escape, Nos, o padrão do byte de escape também deve ser precedido por outro byte de escape Camada da ligação de 41 Delimitação de tramas Hipóteses Sinalização binária Comunicação orientada ao byte N bytes de Justificação de byte Byte FD delimitador de trama; byte ES - escape (FD diferente de ES) Trama mais longa: 2 x N Dados uniformes: x N Campo comprimento da trama Byte IN - canal inactivo; byte SD - início de trama (IN diferente de SD); L bytes para representar o comprimento da trama Trama: L + N Comprimentos uniformes: L + 2 L Camada da ligação de 42

22 Asynchronous Transfer Mode (ATM) Objectivo inicial Arquitectura para comunicação entre aplicações Suporte a aplicações com qualidade de serviço Tecnologia ATM até à estação de trabalho Realidade actual IP sobre ATM ATM é visto como uma camada da ligação de ATM é usado sobretudo em redes dorsais Características Tecnologia de circuitos virtuais Pacotes de tamanho fixo, denominados células Não há controlo de erros entre comutadores ATM Suporte a vários modelos de tráfego: CBR, VBR, ABR, UBR Camada da ligação de 43 Aplicação Camada IP Arquitectura Camada IP Aplicação AAL AAL ATM ATM ATM ATM PHY PHY PHY PHY Sistema terminal Comutador ATM Comutador ATM Camada ATM adaptation layer (AAL) Sub-camada de convergência (CPCS) Sub-camada de segmentação e reconstrução (SAR) Camada ATM Camada PHY Sub-camada de convergência (TC) Sub-camada dependente do meio (PMD) Sistema terminal Camada da ligação de 44

23 Anatomia de uma célula ATM bits VCI PT HEC CLP Virtual Circuit Identifier (VCI) Na realidade, existe dois identificadores de circuito virtual, VPI e VCI Payload Type (PT) Indica o tipo de contido na célula Cell-Loss Priority (CLP) Usando pela origem para diferenciar entre tráfego de alta e baixa prioridade Header Error Checksum (HEC) Calculado apenas sobre o cabeçalho Camada da ligação de 45 AAL Dados Ench. Comp. CRC CPCS-PDU SAR-PDU Célula ATM Enchimento Número de bytes na CPCS-PDU tem que ser múltiplo de 48 Comprimento Dos, sem enchimento Terceiro bit do campo PT da célula ATM assinalado a 1 Fim da CPCS-PDU 3 o bit do PT Camada da ligação de 46

24 IP sobre ATM Circuitos virtuais permanentes entre pares de encaminhadores de entrada e saída ATM ARP Cada encaminhador tem um VC de difusão associado Existe um servidor de ARP e VC para alcançar esse servidor Ethernet LANs ATM Camada da ligação de 47